一种高密度钨合金3D打印制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高密度钨合金3D打印制备方法，包括如下步骤：将纳米级钨合金粉体制备成球形钨合金颗粒；测量所述纳米级钨合金粉体的平均粒径；预测3D打印采用的理论能量密度；选择理论能量密度附近的能量密度进行3D打印得到多个试验钨合金生坯，然后将所述试验钨合金生坯烧结并测试拉伸强度；选择拉伸强度值最大的试验钨合金生坯对应的能量密度打印钨合金生坯并烧结即得。合金生坯并烧结即得。

【技术实现步骤摘要】
一种高密度钨合金3D打印制备方法


[0001]本专利技术涉及金属材料领域和粉末冶金领域，具体涉及一种高密度钨合金3D打印制备方法。

技术介绍

[0002]钨的高硬度特性使高密度钨合金加工成形困难，对于复杂形状高密度钨合金零部件，不仅加工成本高、效率低，而且原材料浪费很大，这成为限制难熔高密度钨合金材料应用的重要“瓶颈”难题。因此，发展新的难熔高密度钨合金材料成形技术，对拓展难熔高密度钨合金材料应用领域、降低复杂形状制品的生产成本、提高复杂形状制品的生产效率具有重大意义。3D打印是一种采用数字驱动方式将材料逐层堆积成形的先进制造技术，它将传统的多维制造降为二维制造，突破了传统制造方法的约束和限制，能将不同材料自由制造成三维复杂结构(曲面、空心、多孔、网格、梯度等)，从根本上改变了设计制造思路。3D打印突破了传统制造技术对零部件材料、形状、尺度、功能等的制约，几乎可以制造任意复杂的结构。因此，将3D打印成形技术引入到难熔高密度钨合金材料部件制造领域，对于扩大高密度钨合金材料产品型号与规格，进一步拓展高性能高密度钨合金材料应用领域具有重要意义。
[0003]3D打印要求金属粉末满足球形度好、流动性好等要求，球形金属粉末是金属3D打印的核心材料。目前金属3D打印用球形粉末制备技术主要有气雾化技术、等离子旋转电极雾化、等离子熔丝雾化和射频等离子球化。这四种方法的共同特点是首先将金属材料在高温下熔融成液态，对于高熔点的钨基材料来说，采用这种方法存在如下问题：(1)激光打印所需能量密度高，制造成本高，且打印出的材料存在显微组织粗大，力学性能低；(2)激光3D打印中存在内应力大，导致组织性能不均匀。针对此，本专利技术开发出了一种低成本、低能耗、实现高密度钨合金材料组织性能各向同性、高力学强韧性能的3D打印制备方法。

技术实现思路

[0004]针对现有3D打印技术制备高密度钨合金存在的高耗能、高成本、组织性能不均匀的问题，本专利技术的目的在于提供一种低成本、低能耗、实现高密度钨合金材料组织性能各向同性、高力学强韧性能的3D打印制备方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术主要通过以下技术方案实现：
[0006]一种采用3D打印制备钨合金的方法，包括如下步骤：
[0007]将纳米级钨合金粉体制备成球形钨合金颗粒；
[0008]测量所述纳米级钨合金粉体的平均粒径；
[0009]当所述纳米级钨合金粉体的粒径大于50nm，小于500nm时，采用方程E＝155ln(r+10)
‑
521预测3D打印采用的理论能量密度；其中，E代表理论能量密度的绝对值，r代表所述纳米钨合金粉体的平均粒径的绝对值；
[0010]选择理论能量密度附近的能量密度进行3D打印得到多个试验钨合金生坯，然后测
试所述试验钨合金生坯的密度；
[0011]选择密度值最大的试验钨合金生坯对应的能量密度打印钨合金生坯并烧结即得。
[0012]所述纳米级钨合金粉体采用高能球磨法或液态溶胶法制备得到。
[0013]所述钨合金中钨的含量为90～98wt％，其余为Co、Cr、Ni、Fe、Cu中的至少两种；
[0014]所述钨合金的拉伸强度大于980MPa。
[0015]采用喷雾干燥法将钨合金粉体制备成球形钨合金颗粒。
[0016]将所述钨合金粉体、无水乙醇和有机粘合剂混合，得到混悬液；将所述混悬液进行喷雾干燥，得到球形粉末颗粒；
[0017]所述混悬液的固相含量为50％～60％。
[0018]所述烧结包括在250
‑
500℃保温和在1200
‑
1450℃保温的步骤；
[0019]所述烧结的气氛包括还原性气氛。
[0020]所述还原性气氛包括氢气气氛。
[0021]所述球形钨合金颗粒的粒径为20
‑
80μm。
[0022]所述有机粘合剂包括羧甲基纤维素、羧乙基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素中的一种或多种；
[0023]所述有机粘合剂包占混悬液总质量的0.1～2％。
[0024]将所述钨合金粉体、无水乙醇和有机粘合剂混合，得到混悬液；将所述混悬液进行离心喷雾干燥，得到球形粉末颗粒；或者
[0025]将所述钨合金粉体、无水乙醇和有机粘合剂混合，得到混悬液；将所述混悬液进行二流雾化喷雾干燥，得到球形粉末颗粒。
[0026]相对于现有技术，本专利技术的有益效果如下：
[0027]1.本专利技术提供的球形高密度钨合金颗粒制备方法简单可行、易于操作，且成本低。
[0028]2.本专利技术提供的球形高密度钨合金粉末颗粒，由于内部是超细/纳米级细小颗粒，其活性高，在3D打印过程中所需加热熔融能量密度更低。
[0029]3.本专利技术提供的高密度钨合金3D打印制备方法，能够获得更细小、更均匀的显微组织结构，从而获得更高的力学性能。
附图说明
[0030]图1示出了原始粉末粒径与3D打印所需能量密度之间的关系拟合曲线；
[0031]图2示出了本专利技术实施例1制备钨合金显微组织照片；
[0032]图3示出了依“Microstructure and mechanical properties of additive manufactured W
‑
Ni
‑
Fe
‑
Co composite produced by selective laser melting”一文中提供的方法制备的钨合金的显微组织照片。
具体实施方式
[0033]下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明。下述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是为了限制本专利技术的范围。
[0034]本专利技术提供了一种采用3D打印制备钨合金的方法。具体的，包括如下步骤：
[0035]测量所述纳米级钨合金粉体的平均粒径，将纳米级钨合金粉体制备成球形钨合金
颗粒后；预测3D打印采用的理论能量密度；选择理论能量密度附近的能量密度进行3D打印得到多个试验钨合金生坯，然后测试所述试验钨合金生坯的密度；选择密度值最大的试验钨合金生坯对应的能量密度打印钨合金生坯并烧结即得。首先将纳米级钨合金粉体制备成球形钨合金颗粒；然后将球形钨合金颗粒进行3D打印得到钨合金生坯，最后将所述钨合金生坯烧结即可。
[0036]为得到高拉伸强度的钨合金(拉伸强度大于980MPa)，通常采用3D打印的方法来制备钨合金生坯。但是，在采用不同粒径的原料进行3D打印时，打印所需的能量密度会随着钨合金颗粒的粒径的变化而发生变化。由于纳米尺寸效应，钨合金颗粒的熔点会随粒度超细/纳米化而降低，粒度越细其熔点越低，当其粒径小于50nm时，其熔点会迅速地直线性降低。而当钨合金颗粒的粒度从纳米级别往上增加时，颗粒的熔点逐渐趋向于相应块体材料的熔点。因此，当粒径大于500nm时，其熔点趋于不变。因此，在3D打印制备钨合金生坯时，需要根据其熔点来判断对不同颗粒粒径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用3D打印制备钨合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：将纳米级钨合金粉体制备成球形钨合金颗粒；测量所述纳米级钨合金粉体的平均粒径；当所述纳米级钨合金粉体的粒径大于50nm，小于500nm时，采用方程E＝155ln(r+10)
‑
521预测3D打印采用的理论能量密度；其中，E代表理论能量密度的绝对值，r代表所述纳米钨合金粉体的平均粒径的绝对值；选择理论能量密度附近的能量密度进行3D打印得到多个试验钨合金生坯，然后测试所述试验钨合金生坯的密度；选择密度值最大的试验钨合金生坯对应的能量密度打印钨合金生坯并烧结即得。2.如权利要求1所述的采用3D打印制备钨合金的方法，其特征在于：所述纳米级钨合金粉体采用高能球磨法或液态溶胶法制备得到。3.如权利要求1所述的采用3D打印制备钨合金的方法，其特征在于：所述钨合金中钨的含量为90～98wt％，其余为Co、Cr、Ni、Fe、Cu中的至少两种；所述钨合金的拉伸强度大于980MPa。4.如权利要求1所述的采用3D打印制备钨合金的方法，其特征在于：采用喷雾干燥法将钨合金粉体制备成球形钨合金颗粒。5.如权利要求4所述的采用3D打印制备钨合金的方法，其特征在于：将所述钨合金粉体...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩勇，陈慧，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：