[发明专利]一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及薄壁结构和细槽结构的机械加工领域。

技术背景

薄壁结构或细槽结构加工是传统机械加工中不可逾越的难点。增材制造为解决此类问题开辟了新的技术途径。斯坦福大学提出将熔滴沉积与数控加工相结合，即形状沉积制造（Shape Deposition Manufacturing,SDM），制造出了复杂形状的氮化硅、不锈钢涡轮转子。

凝胶注模成型（Gelcasting）技术是20世纪90年代美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）O.Omatete等人提出的，它是在粉末颗粒材料的悬浮液中加入有机单体，如丙烯酰胺，然后在加入一定量的引发剂促使有机单体发生交联反应从而达到原位固化的一种成型技术。凝胶注模已经成功应用于多种陶瓷材料的成型，如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅及其复合材料等。近年来，国内外一些学者将凝胶注模的应用领域扩展到金属粉末材料。

为了利于浇注薄壁件、细槽等细节特征，凝胶注模浆料要有良好的流变性，即浆料的表观粘度越小越好。对于金属粉末来说其粘度值不能高于1Pa·s。金属浆料要求低粘度、高固相含量，这是一对矛盾。因此在保证良好流动性的前提下尽量提高粉末颗粒的含量，对浇注薄壁件而言尤为重要。此外，凝胶注模胚体含有一定量的水，随着胚体干燥过程中水分的去除，胚体产生收缩，如果收缩不均匀会导致胚体变形、开裂等缺陷。传统的干燥方法，都是把胚体放入真空干燥箱，通过加热方式去除水分。由于胚体内部和外部有温度梯度，外部水分蒸发速率远远大于内部，造成胚体收缩不均匀，产生内应力，影响胚体强度，同时会影响后续的烧结质量，造成烧结开裂。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是，提供一种金属件的制造方法，实现对具有薄壁、细槽等几何细节特征的金属件件的快速制造。本发明要解决的次要技术问题是，解决金属件在传统烧结过程中存在烧结翘曲变形的问题。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了.一种制造具有薄壁或细槽等几何结构的金属件的方法，其特征在于，使用蜡基材料交替注射和分段雕刻与凝胶注模结合的方法，主要包括两种蜡基材料交替注射和分段雕刻制作蜡模、凝胶注模成型、烧结；

所述两种蜡基材料交替注射采用注射增材的方法，使蜡料在堆积过程中以半熔融态射出；所述两种蜡基材料分别为可机加工蜡与水溶蜡；

所述蜡基材料交替注射和分段雕刻具体步骤为：使用A蜡作为支撑，雕刻加工支撑型腔，使用B蜡添加型腔材料，雕刻支撑型腔并获得使用A蜡的薄壁支撑，使用B蜡对雕刻后的支撑型腔添加型腔材料；

所述A蜡为水溶蜡时，通过水浸处理，得到了细槽结构的蜡模；所述B蜡为水溶蜡时，通过水浸处理，得到了薄壁结构的蜡模。

作为优选，所述烧结采用微波烧结。

作为优选，所述凝胶注模成型主要包括浆料制备、胚体干燥、热熔法脱模。

作为优选，所述浆料制备时使用粘结剂、分散剂和两种粗细不同的金属粉末混合配比来提高浆料的固相含量。

作为优选，所述胚体干燥采用真空冷冻干燥。

作为优选，所述粘结剂为明胶。

作为优选，所述分散剂为聚乙烯醇、海藻酸钠、柠檬酸三铵，十二烷基硫酸铵。

作为优选，所述两种粗细不同的金属粉末为中位径分别为11.80μm和24.32μm的水雾化316L不锈钢粉末。

作为优选，所述中位径分别为1.80μm和24.32μm的水雾化316L不锈钢粉末的混合比例为4：6。

作为优选，所述真空冷冻干燥具体过程为：将浇注的胚体和蜡模在-50℃的条件下冷冻4h，将胚体完全冻结成固态；然后放在冷冻干燥机的搁板上进行升华干燥，同时进行抽真空，保持真空度为10Pa左右，冷阱温度-50℃，持续时间8h；胚体干燥后采用热熔法去除蜡模：将干燥后的胚体和蜡模一起放入真空干燥箱内，加热至150℃并保持30分钟，蜡模即可完全熔化，最后得到完整的零件胚体。

作为优选，所述微波烧结的采用微波频率为2.45GHz微波高真空炉。

作为优选，所述微波高真空炉的旋转台上设有高温桶，所述高温桶内设有莫来石坩埚。

作为优选，所述高温桶和莫来石坩埚之间填充有氧化锆、碳化硅以及保温棉。