基于均匀微滴喷射的镁合金结构件打印方法技术

本发明专利技术提供一种基于均匀微滴喷射的镁合金结构件打印方法，解决目前镁合金3D打印方法打印微小复杂结构能力有限且打印质量不高的技术问题。本发明专利技术方法包括预处理、装配、调试并确定打印工艺参数、打印四个步骤。基于均匀微滴打印的特性，镁熔滴可在较低的熔池温度(620℃以上即可)下实现熔合，利用该优势很大程度上抑制镁元素蒸发的不利影响，同时降低了打印工艺的难度。工艺的难度。工艺的难度。

【技术实现步骤摘要】
基于均匀微滴喷射的镁合金结构件打印方法


[0001]本专利技术属于镁合金3D打印
，具体涉及一种基于均匀微滴喷射的镁合金结构件打印方法。

技术介绍

[0002]镁合金是目前实际应用最轻的工程金属材料，其具有比强度高，电磁屏蔽及导热性能优异等优点，已应用于航空航天、汽车、电子行业等领域。随着航空航天、武器装备中各先进机械(电)系统朝着小型化，轻量化和高集成化方向发展，微小复杂镁合金功能结构件制备需求越来越大。传统的镁合金零件是通过铸造结合变形及后续机加工制备复杂结构件。然而，在室温下镁合金的晶体结构为密排六方(HCP)结构，其塑性变形能力较差，特别是微小复杂结构件成形难度较大，这里微小指的是微滴直径在几十微米至几百微米，微小复杂结构可以参考如图2所示的结构，类似于这种通过传统加工很难实现的结构。
[0003]相比于传统加工制造技术，金属3D打印技术具有成型形状不受限制、成型周期短、制造柔性高等优势，为实现微小复杂镁合金结构件制备提供一种新方案。然而，由于镁化学特性十分活泼，遇氧极易氧化、易燃易爆；镁及其合金的沸点低，尤其是镁(1090℃)和锌(907℃)元素，易蒸发产生高蒸气压，降低打印质量。因此，镁合金被公认为最难打印的金属之一。
[0004]激光烧结粉末增材制造技术十分适合打印微小复杂结构件；然而，镁及其合金粉末表面积大，在制造、运输、重复使用过程均极易氧化，导致镁颗粒之间难以熔合。此外，文献“Zeng,Z.,et al.,Recent progress and perspectives in additive manufacturing of magnesium alloys.Journal of Magnesium and Alloys,2022.10(6):p.1511
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1541”描述由于激光烧结过程中，高能量激光束使得镁粉末颗粒温度迅速升高超过镁的沸点，导致镁蒸发产生高蒸汽压扰动熔池，形成微气孔、飞溅、质量损失等缺陷。因此，该方法打印高质量镁合金件仍然较困难。文献“Takagi,H.,et al.,Material
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property evaluation of magnesium alloys fabricated using wire
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and
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arc
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based additive manufacturing.Additive Manufacturing,2018.24:p.498
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507”中描述一种电弧熔丝增材制造技术打印镁合金件的方法，该方法可确保打印过程中熔池温度低于镁合金元素沸点，进而抑制了镁合金蒸发扰动熔池的现象，在打印大型镁合金件上具有一定优势。然而，该方法打印线条厚度大(毫米级别)，成形微小复杂结构能力十分有限。
[0005]综上，目前镁合金打印方法制备微小复杂镁合金结构件仍然较为困难，亟需一种新的3D打印技术以满足航空航天、武器装备对微小复杂镁合金结构件制备需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决目前镁合金3D打印方法打印微小复杂结构能力有限且打印质量不高的不足之处，而提供一种基于均匀微滴喷射的镁合金结构件打印方法，以满足微小复杂镁合金结构件制备的迫切需求。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术解决方案是：
[0008]一种基于均匀微滴喷射的镁合金结构件打印方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0009]1)预处理
[0010]包括原料预处理以及设备预处理；
[0011]原料预处理是指去除原料表面氧化皮以及杂质；所述原料为镁或镁合金；
[0012]设备预处理是指将打印平台的打印环境室中水氧含量降至2PPM以下；
[0013]2)装配
[0014]将由坩埚、激振杆和喷嘴组成的喷射装置放入打印环境室内并装配好(主要是将坩埚、激振杆和喷嘴与打印平台中的其他组件装配好，比如，第一热电偶、压电激振器等)，进行加热保温；保温期间，打开打印平台的背压气瓶，背压气瓶中的气体不与镁发生反应，将喷射装置中隐藏的水氧排出，以防止加热镁原料熔化后，这些部件隐藏的水氧导致镁熔液氧化；冷却后，将步骤1)预处理后的原料放入坩埚内，完成打印平台的装配；
[0015]3)调试并确定打印工艺参数
[0016]3.1)将坩埚加热至620℃
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750℃，使原料熔融达到所需温度并保温以确保原料能够完全熔化；随后根据镁熔液温度(即坩埚加热温度)，确定该打印平台中压电激振器的脉冲信号脉宽，确定过程如下：
[0017]向压电激振器发送周期性脉冲信号，脉冲信号驱动压电激振器的脉宽范围为10
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600μs，在该参数范围内调试，直至在一次周期性脉冲信号中产生一颗均匀镁熔滴，以此选取脉冲信号脉宽；
[0018]3.2)维持步骤3.1)选取的工艺参数，在350
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450℃范围内，根据镁熔滴熔合情况调试基板加热温度，确保镁熔滴之间、熔滴层与层之间实现无冷隔熔合，以此选取基板温度，并在打印时按此温度保温，以确保基板完全加热到该温度并维持在该温度；根据实际情况选择温度进行调试，并通过一些表征手段，如显微镜，切片等观察孔洞缺陷便可。
[0019]为了打印质量稳定的镁结构件，在1000℃的温度下，由于镁元素极易蒸发，产生的蒸气压对均匀微滴喷射液滴会产生很大的扰动，温度超过一定阈值时，无法形成均匀镁熔滴；同时需要保证镁熔滴在沉积到基板上时保持液态形态以实现微滴之间的熔合。因此，打印镁或镁合金只能限制在上述温度范围内才能够实现高精度和高质量的镁合金件打印，本专利技术基于镁元素蒸发特性确定了上述工艺参数范围，打印前根据不同种类的镁原料进行相适应的调节即可。
[0020]4)打印
[0021]同规格更换步骤3)中使用的基板(即使用新的基板进行打印)，并按照步骤3)确定的工艺参数，进行打印，根据打印结构的三维模型，启动打印平台进行逐点、逐线、逐层沉积镁熔滴，直至打印完成，该步骤打印过程与现有3D打印过程无异。
[0022]因本专利技术打印的是十分活泼、遇氧极易氧化以及易燃易爆的镁及其合金，因此在打印前期使用的是氩气，避免因使用与镁发生反应的气体，造成事故，比如，氮气，在高温下便可与镁发生反应放热，存在爆炸的风险。
[0023]进一步地，步骤1)中，原料预处理时，采用物理方法或化学方法去除原料表面氧化皮以及杂质，并且将原料的形状尺寸处理至不干扰喷射装置中坩埚和激振杆装配的程度；
[0024]设备预处理时，打开打印平台中的循环过滤水氧装置以及环境室氩气瓶，用气压值为0.1
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0.5MPa的高纯氩气冲洗打印环境室，使打印环境室水氧含量降至2PPM以下。
[0025]进一步地，步骤2)中，将打印平台加热至100℃以上并保温，只要超过水的沸点即可，温度低保温时间长，温度高保温时间短；
[0026]保温期间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于均匀微滴喷射的镁合金结构件打印方法，其特征在于，包括以下步骤：1)预处理包括原料预处理以及设备预处理；原料预处理是指去除原料表面氧化皮以及杂质；所述原料为镁或镁合金；设备预处理是指将打印平台的打印环境室中水氧含量降至2PPM以下；2)装配将由坩埚、激振杆和喷嘴组成的喷射装置放入打印环境室内并装配好，进行加热保温；保温期间，打开打印平台的背压气瓶，背压气瓶中的气体不与镁发生反应，将喷射装置中的水氧排出；冷却后，将步骤1)预处理后的原料放入坩埚内，完成打印平台的装配；3)调试并确定打印工艺参数3.1)将坩埚加热至620℃
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750℃，使原料熔融达到所需温度并保温；随后根据镁熔液温度，确定该打印平台中压电激振器的脉冲信号脉宽，确定过程如下：向压电激振器发送周期性脉冲信号，脉冲信号驱动压电激振器的脉宽范围为10
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600μs，在该参数范围内调试，直至在一次周期性脉冲信号中产生一颗均匀镁熔滴，以此选取脉冲信号脉宽；3.2)维持步骤3.1)选取的工艺参数，在350
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450℃范围内根据镁熔滴熔合情况调试基板加热温度，确保镁熔滴之间、熔滴层与层之间实现无冷隔的熔合，以此选取基板温度；4)打印同规格更换步骤3)中使用的基板，并按照步骤3)选取的工艺参数，进行打印，根据打印结构的三维模型，启动打印平台进行逐点、逐线、逐层沉积镁熔滴，直至打印完成。2.根据权利要求1所述一种基于均匀微滴喷射的镁合...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐乐华，苏林，罗俊，周怡，崔俊星，李贺军，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：