一种易氧化金属材料的固化工艺、及其3D打印产品的后处理工艺的制作方法

一种易氧化金属材料的固化工艺、及其3d打印产品的后处理工艺
技术领域
1.本发明涉及一种易氧化金属材料的固化清粉、增材制造技术领域，更具体地说，涉及一种易氧化金属材料的固化工艺、及其3d打印产品的后处理工艺。


背景技术：

2.目前对于易氧化金属材料的复杂零部件用传统的工艺难以生产，而3d打印是近二十年快速发展的先进制造技术，其通过逐层构型原理能够实现复杂结构零件的制造，因此选用3d打印技术制造结构复杂的易氧化金属材料零件是最优选择。在3d打印行业中，目前易氧化金属材料的3d打印技术主要有粘结剂喷射3d打印技术、电子束熔化(ebm)金属3d打印技术、电弧增材制造技术、选择性激光熔融(slm)3d打印技术等。电子束熔化3d打印技术无法打印大的易氧化金属材料零件且打印的零件表面精度差；电弧增材制造技术打印的零件表面精度差且打印速度慢。打印金属常用的选择性激光熔融(slm)3d打印技术是通过激光提供能量源，而大部分易氧化金属属于高反射材料，对激光的反射率高，激光照在易氧化金属材料上时，会有部分激光能量被反射无法吸收，因此slm技术打印易氧化金属材料比较困难。
3.粘结剂喷射3d打印技术作为一种基于粉末床的增材制造技术，具有自动化程度高、成本低、效率高，可以快速生产复杂的结构、设计自由度高等优势，在3d打印的样品中能实现各向同性的特性，而且粘结剂喷射3d打印技术几乎与任何粉末材料兼容，并且打印成型过程是在室温环境中进行。因此，对于易氧化的金属材料，用粘结剂喷射3d打印技术打印复杂的零件有很大的优势。3d打印行业中打印易氧化金属材料所用的易氧化金属粉末是通过水雾化及气雾化的方式制备的。但这两种方法制备的金属粉末存在受热易氧化，在低真空环境下受热氧化缓慢、容易结块等问题，且对于3d打印产品而言在后处理过程中因易氧化金属粉末结块导致清粉困难，并且清出来的粉末无法回收利用，导致打印成本增高。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对现有技术中易氧化金属材料容易结块且因结块导致清粉困难的问题，提供一种易氧化金属材料的固化工艺、及其3d打印产品的后处理工艺，该易氧化金属材料的固化工艺、及其3d打印产品的后处理工艺能够避免易氧化金属粉末在固化过程中出现结块，且使3d打印产品后处理时清粉方便。
5.一种易氧化金属材料的固化工艺，所述固化工艺包括如下步骤：
6.s1、取一定量的高氧含量量水雾化金属粉末(氧含量≤2000pppm)、一定量的微氧化的气雾化金属粉末(1000ppm≤氧含量≤2000ppm)、一定量的低氧含量气雾化金属粉末(氧含量≤500ppm)分别放入高温真空气氛炉中；
7.s2、将所述高温真空气氛炉抽真空至1～10pa；
8.s3、向所述高温真空气氛炉中通入惰性气体使所述高温真空气氛炉保持标准大气
压；
9.s4、二次抽真空，循环上述步骤s2～s3，使所述高温真空气氛炉的压力保持微正压；
10.s5、将所述高温真空气氛炉升温至100～150℃，保温2～3h；
11.s6、随炉降温，取出所述高氧含量水雾化金属粉末、微氧化的气雾化金属粉末、低氧含量气雾化金属粉末，检测上述粉末是否结块。
12.进一步地，步骤s1所述高氧含量水雾化金属粉末、微氧化的气雾化金属粉末、低氧含量气雾化金属粉末的粒径范围均为0.5～100μm。
13.进一步地，所述金属粉末包括镁合金、铜、铝合金中的任意一种。
14.进一步地，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的任意一种。
15.一种易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺，所述后处理工艺包括如下步骤：
16.固化：将3d打印成型的易氧化金属生坯工作箱放入高温真空气氛炉中；采用上述s2～s5步骤进行固化；
17.清粉：将固化后的易氧化金属生坯工作箱进行清粉处理得到易氧化金属生坯。
18.进一步地，所述易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺还包括如下步骤：
19.烧结：将清粉后的易氧化金属生坯放入石墨真空烧结炉中进行烧结。
20.进一步地，所述烧结工艺包括真空脱脂工艺、分压烧结工艺和分压冷却工艺。
21.进一步地，所述真空脱脂工艺包括如下步骤：
22.将所述石墨真空烧结炉抽真空；
23.将所述石墨真空烧结炉升温至250～300℃，保温2～5h；
24.将所述石墨真空烧结炉升温至450～500℃，保温3～8h；
25.将所述石墨真空烧结炉升温至600℃，保温2～5h；
26.将所述石墨真空烧结炉升温至800～900℃，保温2～5h。
27.进一步地，所述分压烧结工艺包括如下步骤：
28.向所述石墨真空烧结炉中通入氩气；
29.将所述石墨真空烧结炉升温至1045～1075℃，保温4～6h。
30.进一步地，所述分压冷却工艺包括：将所述石墨真空烧结炉随炉降温至900℃，随炉冷却。
31.本发明提供的一种易氧化金属材料的固化工艺、及其3d打印产品的后处理工艺，使得高氧含量水雾化金属粉末、微氧化的气雾化金属粉末及低氧含量气雾化金属粉末经该固化工艺后均不会结块。经该固化工艺处理后的易氧化金属3d打印产品生坯工作箱在后续的清粉处理中，未喷射粘结剂的易氧化金属粉末没有结块，清粉容易，且这部分易氧化金属粉末可回收利用，降低了易氧化金属材料粘结剂喷射打印技术的材料成本，且经烧结处理后3d打印产品的致密度高。
32.具体实施方式
33.为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使
对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
34.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“底端”、“顶端”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
35.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
36.一种易氧化金属材料的固化工艺，所述固化工艺包括如下步骤：
37.s1、取一定量的高氧含量水雾化金属粉末(氧含量≤2000ppm)、一定量的微氧化的气雾化金属粉末(1000ppm≤氧含量≤2000ppm)、一定量的低氧含量气雾化金属粉末(氧含量≤500ppm)分别放入高温真空气氛炉中；
38.s2、将所述高温真空气氛炉抽真空至1～10pa；
39.s3、向所述高温真空气氛炉中通入惰性气体使所述高温真空气氛炉保持标准大气压；
40.s4、二次抽真空，循环上述步骤s2～s3，使所述高温真空气氛炉的压力保持微正压；
41.s5、将所述高温真空气氛炉升温至100～150℃，保温2～3h；
42.s6、随炉降温，取出所述高氧含量水雾化金属粉末、微氧化的气雾化金属粉末、低氧含量气雾化金属粉末，检测上述粉末是否结块。
43.一种易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺，包括如下步骤：
44.固化：将3d打印成型的易氧化金属生坯工作箱放入高温真空气氛炉中；采用上述s2～s5步骤进行固化；
45.清粉：将固化后的易氧化金属生坯工作箱进行清粉得到易氧化金属生坯。
46.本发明的一种易氧化金属材料的固化工艺，通过两次抽真空，将高温真空气氛炉内的空气洗净，从而使易氧化金属粉末在高温气氛炉中固化时不会被氧化、也不会发生结块。采用上述固化工艺处理3d打印成型的易氧化金属生坯工作箱后，使易氧化金属生坯更容易被清理出来，并保证清理出来的生坯完整无缺陷，且清理出来的易氧化金属粉末还可回收利用。
47.下面结合具体实施例对所述的一种易氧化金属材料的固化工艺、及其3d打印产品的后处理工艺进行说明，以进一步理解所述易氧化金属材料的固化工艺、及其3d打印产品后处理工艺的发明构思。
48.一种易氧化金属材料的固化工艺，所述固化工艺包括如下步骤：
49.s1、取一定量的高氧含量水雾化金属粉末(氧含量≤2000ppm)、一定量的微氧化的气雾化金属粉末(1000ppm≤氧含量≤2000ppm)、一定量的低氧含量气雾化金属粉末(氧含量≤500ppm)分别放入高温真空气氛炉中；
50.s2、将所述高温真空气氛炉抽真空至1～10pa，即当真空表示数为-90kpa时停止抽
真空；
51.s3、向所述高温真空气氛炉中通入惰性气体使所述高温真空气氛炉保持标准大气压；
52.s4、二次抽真空，循环上述步骤s2～s3，使所述高温真空气氛炉的压力保持微正压；具体地，将高温真空气氛炉内的惰性气体继续抽出，当真空表示数为-90kpa停止抽真空；然后再次通入惰性气体，使所述高温真空气氛炉的压力保持微正压，此时真空表显示的示数为0～0.2kpa
53.s5、将所述高温真空气氛炉升温至100～150℃，保温2～3h；
54.s6、随炉降温，取出所述高氧含量水雾化金属粉末、微氧化的气雾化金属粉末、低氧含量气雾化金属粉末，检测上述粉末是否结块。
55.优选地，步骤s1中所述高氧含量水雾化金属粉末、微氧化的气雾化金属粉末、低氧含量气雾化金属粉末的粒径范围均为0.5～100μm。
56.优选地，所述金属粉末包括镁合金、铜、铝合金中的任意一种。
57.优选地，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的任意一种。
58.一种易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺，所述易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺包括如下步骤：
59.固化：将3d打印成型的易氧化金属生坯工作箱放入高温真空气氛炉中；采用上述s2～s5步骤进行固化；
60.清粉：将固化后的易氧化金属生坯工作箱进行清粉得到易氧化金属生坯。
61.所述易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺还包括如下步骤：
62.烧结：将清粉后的易氧化金属生坯放入石墨真空烧结炉中进行烧结。
63.优选地，所述烧结工艺包括真空脱脂工艺、分压烧结工艺和分压冷却工艺。
64.优选地，所述真空脱脂工艺包括：
65.将所述石墨真空烧结炉抽真空；
66.将所述石墨真空烧结炉升温至250～300℃，保温2～5h；
67.将所述石墨真空烧结炉升温至450～500℃，保温3～8h；
68.将所述石墨真空烧结炉升温至600℃，保温2～5h；
69.将所述石墨真空烧结炉升温至800～900℃，保温2～5h。
70.优选地，所述分压烧结工艺包括：
71.向所述石墨真空烧结炉中通入氩气；
72.将所述石墨真空烧结炉升温至1045～1075℃，保温4～6h。
73.优选地，所述分压冷却工艺包括：将所述石墨真空烧结炉降温至900℃，随炉冷却。
74.实施例一
75.一种铜粉末的固化工艺，包括如下步骤：
76.s1、取一定量的高氧含量水雾化铜粉末(氧含量≤2000ppm)、一定量的微氧化的气雾化铜粉末(1000ppm≤氧含量≤2000ppm)、一定量的低氧含量气雾化铜粉末(氧含量≤500ppm)分别放入高温真空气氛炉中；其中，上述铜粉末的粒径为3～50μm；
77.s2、将高温真空气氛炉抽真空至1～10pa，即当真空表示数为-90kpa时停止抽真空；
78.s3、向所述高温真空气氛炉中通入氮气使所述高温真空气氛炉保持标准大气压；
79.s4、二次抽真空，循环上述步骤s2～s3，使所述高温真空气氛炉的压力保持微正压；具体地，将高温真空气氛炉内的氮气继续抽出，真空表示数到-90kpa停止抽真空，然后再次通入氮气，直到高温真空气氛炉内的真空度为0.2kpa。
80.s5、将所述高温真空气氛炉以1℃/min的速率升温至150℃，保温2h；
81.s6、随炉降温，取出所述高氧含量水雾化铜粉末、微氧化的气雾化铜粉末、低氧含量气雾化铜粉末，检测上述粉末是否结块。
82.检测发现，通过该工艺处理的高氧含量水雾化铜粉末、微氧化的气雾化铜粉末、低氧含量气雾化铜粉末均未发生结块。
83.实施例二
84.一种镁合金粉末的固化工艺，包括如下步骤：
85.s1、取一定量的高氧含量水雾化镁合金粉末(氧含量≤2000ppm)、一定量的低氧含量气雾化镁合金粉末(氧含量≤500ppm)分别放入高温真空气氛炉中；其中，上述镁合金末的粒径为1～45μm；
86.s2、将高温真空气氛炉抽真空至1～10pa；
87.s3、向所述高温真空气氛炉中通入氩气使所述高温真空气氛炉保持标准大气压；
88.s4、二次抽真空，循环上述步骤s2～s3，使所述高温真空气氛炉真空约为0.2kpa；具体地，将高温真空气氛炉中的氩气继续抽出，真空表示数到-88kpa停止抽真空，然后再次通入氩气，使所述高温真空气氛炉的压力保持微正压，此时真空表显示的示数为0kpa，此时炉内处于常压状态。
89.s5、将所述高温真空气氛炉以1℃/min的速率升温至120℃，保温3h；
90.s6、随炉降温，取出所述高氧含量水雾化镁合金粉末、微氧化的气雾化镁合金粉末、低氧含量气雾化镁合金粉末，检测上述粉末是否结块。
91.检测发现，通过该工艺处理的高氧含量水雾化镁合金粉末、微氧化的气雾化镁合金粉末、低氧含量气雾化镁合金粉末均未发生结块。
92.实施例三
93.以铜粉末为例，采用粘结剂喷射打印技术打印纯铜生坯。采用3～50μm低氧含量气雾化铜粉末(氧含量≤500ppm)打印出生坯工作箱；将上述生坯工作箱放入高温真空气氛炉中，采用如实施例一中步骤s2～s5的方法进行固化；将固化后的铜金属生柸工作箱进行清粉得到铜金属生坯；将清粉后的铜金属生坯放入石墨真烧结炉中进行烧结。上述烧结工艺主要包括真空脱脂工艺、分压烧结工艺和分压冷却工艺。在清粉过程中发现，经上述步骤s2～s5固化的铜金属生坯工作箱，在清粉工艺中，未喷射粘结剂部分的铜金属粉末没有结块，清粉容易，且这部分铜金属粉末还可回收利用，降低了易氧化金属粘结剂喷射打印技术的材料成本。
94.其中真空脱脂工艺包括如下步骤：
95.将石墨真空烧结炉抽真空；
96.将石墨真空烧结炉以1℃/min的升温速率升温至250℃，保温5h；
97.将石墨真空烧结炉以1℃/min的升温速率升温至450℃，保温4.2h；
98.将石墨真空烧结炉以1℃/min的升温速率升温至600℃，保温3.3h；
99.将石墨真空烧结炉以5℃/min的升温速率升温至800℃，保温5h。
100.其中分压烧结工艺包括如下步骤：
101.向石墨真空烧结炉中通入氩气，流量为3l/min，炉内气压为30kpa；
102.将石墨真空烧结炉以3℃/min的升温速率升温至1045℃，保温6h。
103.其中分压冷却工艺包括：将石墨真空烧结炉降温至900℃，随炉冷却。
104.冷却完成后，取出3d打印的铜产品，检测烧结后铜的致密度为92％。可见，通过上述工艺的处理，得到的打印产品符合要求。
105.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
106.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种易氧化金属材料的固化工艺，其特征在于，所述易氧化金属材料的固化工艺包括如下步骤：s1、取一定量的高氧含量水雾化金属粉末(氧含量≤2000ppm)、一定量的微氧化的气雾化金属粉末(1000ppm≤氧含量≤2000ppm)、一定量的低氧含量气雾化金属粉末(氧含量≤500ppm)分别放入高温真空气氛炉中；s2、将所述高温真空气氛炉抽真空至1～10pa；s3、向所述高温真空气氛炉中通入惰性气体使所述高温真空气氛炉保持标准大气压；s4、二次抽真空，循环上述步骤s2～s3，使所述高温真空气氛炉的压力保持微正压；s5、将所述高温真空气氛炉升温至100～150℃，保温2～3h；s6、随炉降温，取出所述高氧含量水雾化金属粉末、微氧化的气雾化金属粉末、低氧含量气雾化金属粉末，检测上述粉末是否结块。2.根据权利要求1所述的一种易氧化金属材料的固化工艺，步骤s1所述高氧含量水雾化金属粉末、微氧化的气雾化金属粉末、低氧含量气雾化金属粉末的粒径范围均为0.5～100μm。3.根据权利要1所述的一种易氧化金属材料的固化工艺，其特征在于，所述金属粉末包括镁合金、铜、铝合金中的任意一种。4.根据权利要求1所述的易氧化金属材料的固化工艺，其特征在于，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的任意一种。5.一种易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺，其特征在于：所述易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺包括如下步骤：固化：将3d打印成型的易氧化金属生坯工作箱放入高温真空气氛炉中；采用如权利要求1所述s2～s5步骤进行固化；清粉：将固化后的易氧化金属生坯工作箱进行清粉处理得到易氧化金属生坯。6.根据权利要求5所述的一种易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺，其特征在于：所述易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺还包括如下步骤：烧结：将清粉后的易氧化金属生坯放入石墨真空烧结炉中进行烧结。7.根据权利要求6所述的一种易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺，其特征在于：所述烧结工艺包括真空脱脂工艺、分压烧结工艺和分压冷却工艺。8.根据权利要求7所述的一种易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺，其特征在于，所述真空脱脂工艺包括如下步骤：将所述石墨真空烧结炉抽真空；将所述石墨真空烧结炉升温至250～300℃，保温2～5h；将所述石墨真空烧结炉升温至450～500℃，保温3～8h；将所述石墨真空烧结炉升温至600℃，保温2～5h；将所述石墨真空烧结炉升温至800～900℃，保温2～5h。9.根据权利要求8所述一种易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺，其特征在于，所述分压烧结工艺包括如下步骤：向所述石墨真空烧结炉中通入氩气；将所述石墨真空烧结炉升温至1045～1075℃，保温4～6h。
10.根据权利要求9所述一种易氧化金属材料3d打印产品的后处理工艺，其特征在于，所述分压冷却工艺包括：将所述石墨真空烧结炉降温至900℃，随炉冷却。

技术总结
本发明涉及一种易氧化金属材料的固化工艺、及其3D打印产品的后处理工艺。本发明提供的一种易氧化金属材料的固化工艺包括如下步骤，S1、取一定量的高氧含量水雾化金属粉末、一定量的微氧化的气雾化金属粉末、一定量的低氧含量气雾化金属粉末分别放入高温真空气氛炉中；S2、将所述高温真空气氛炉抽真空至1～10Pa；S3、向所述高温真空气氛炉中通入惰性气体使所述高温真空气氛炉保持标准大气压；S4、二次抽真空，循环上述步骤S2～S3，使所述高温真空气氛炉的压力保持微正压；S5、将所述高温真空气氛炉升温至100～150℃，保温2～3h；S6、随炉降温，取出所述高氧含量水雾化金属粉末、微氧化的气雾化金属粉末、低氧含量气雾化金属粉末，检测上述粉末是否结块。本发明提供的固化工艺，可以避免易氧化金属粉末在固化过程中结块。结块。


技术研发人员：王勇 张龙江 曹继伟 陈卫东 刘于青 巩建强 罗凯
受保护的技术使用者：共享智能装备（安徽）有限公司
技术研发日：2023.07.28
技术公布日：2023/10/15