一种基于3DP技术的铁铝合金零件的制备方法与流程

本发明属于3d打印技术和复合材料领域，具体涉及一种基于3dp技术的铁铝合金零件的制备方法。

背景技术：

铁铝金属间化合物是由铁和铝这两个元素组成的化合物，包括fe3al和feal两大类。因其独特的长程有序的晶体结构，铁铝金属间化合物具有优异的抗高温氧化、耐热腐蚀性能和抗硫化腐蚀性能，而且密度低、比强度高、耐磨性好并且成本低廉等一系列优点，已成为新型中高温结构材料的研究热点，在热交换管道、熔炉装置、汽车阀门、熔盐设备等高温恶劣环境中的应用有着广泛的前景。

因为在室温下铁铝金属间化合物中的铝会与环境中的水蒸气发生反应生成活性氢原子，再渗入合金表面，导致铁铝合金表现出环境敏感脆性，这严重限制了铁铝合金的工业化应用。目前常用的改善铁铝合金脆性的方法有合金化、晶粒细化、提高晶体对称性和显微组织控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于3dp技术的铁铝合金零件的制备方法，采用纳米级的氧化铁粉末利用3dp工艺制造特殊结构的零件，利用纳米材料的超塑性来改善铁铝合金的室温脆性。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，配制所需要的的氧化铁粉末和粘接剂，其中氧化铁粉末的配制方法为将粒度为50～500nm的氧化铁粉末球磨30min后充分混合，得到所需氧化铁粉体；

步骤二，设计所需零件的模型，并按照零件模型的最小特征要求确定分层厚度并进行分层切片，确定成型过程中的成型取向和扫描路径，并将相关数据发送至基于喷射粘接法的3dp成型机；

步骤三，将氧化铁粉末和粘接剂放入基于喷射粘接法的3dp成型机中，打印出零件素坯；

步骤四，通入氢气对零件素坯进行还原，得到超细铁颗粒的零件素坯；

步骤五，在超细铁颗粒的零件素坯表面沉积一层铝；

步骤六，对步骤五处理后的零件素坯进行液态铝的反应渗透，得到铁铝合金零件；

步骤七，对铁铝合金零件进行热处理，得到最终制件。

步骤一中，粘接剂的配制方法为按照质量分数取0.5％～1.5％的瓜尔豆胶、2％～4％的羧甲基纤维素钠，剩余量为蒸馏水；将瓜尔豆胶、羧甲基纤维素钠和蒸馏水混合后搅拌均匀，得到粘接剂。

步骤二中，设计所需零件的模型时，根据零件素坯在之后的处理过程中体积的收缩，将零件模型放大，收缩率范围为5％～10％。

步骤二中，分层厚度为0.1～0.5㎜。

步骤四中，对零件素坯进行还原的具体方法如下：

将零件素坯经干燥后放入炉中通入氢气还原，氢气流量为1～2l/min,还原温度为400～500℃，还原时间为40～90min。

步骤五中，在超细铁颗粒的零件素坯表面沉积一层铝时采用化学气相沉积法。

步骤六中，液态铝的反应渗透工艺如下：

将步骤五处理后的零件素坯预热后浸入600℃惰性气氛的铝溶体中，升温到900℃，保温4h后反应渗透完毕，去除零件素坯表面熔体，得到铁铝合金零件。

与现有技术相比，本发明首先采用3dp技术直接成型氧化铁粉末得到具有一定结构的零件，之后用氢气还原氧化铁得到多孔构件，最后再用铝液浸渗得到铁铝合金零件。本发明采用3dp技术对零件进行成型，可以直接成型具有复杂结构的零件，有效解决了铁铝合金切削加工困难的缺点，降低了生产成本。同时本发明采用纳米氧化铁粉末来制造铁铝合金，提高了所得零件的韧性。

附图说明

图1为实施例1中的叶轮结构图；

图2为实施例2中的叶轮结构图；

其中，1、叶轮轮毂，2、叶片部分，3、加强圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1所示的为涡轮增压器中叶轮的结构，包括叶轮的轮毂1、叶片部分2。

步骤一，根据涡轮增压器叶片的结构及参数，采用ug三维建模软件设计叶轮模型；

其中，根据实验测得所制得的零件在烧结后会出现体积的收缩，选取收缩率为7.5％，将模型的尺寸放大；

步骤二，配制氧化铁粉末和粘接剂；

其中，氧化铁粉末的配制方法为将粒度为50～500nm的氧化铁粉末球磨30min，待充分混合后得到所需粉体；粘接剂的配制方法为以瓜尔豆胶和羧甲基纤维素钠作为粘接剂，以蒸馏水作为介质，其中瓜尔豆胶的质量分数为0.7％，羧甲基纤维素钠的质量分数为3％，混合均匀后置于搅拌器上搅拌30min。

步骤三，将步骤一中的零件三维模型转换为stl格式，按照零件的最小特征要求确定分层厚度并进行分层切片，分层厚度为0.1㎜，确定成型取向为叶片轴向，得到喷墨打印机用数据；使用基于喷射粘接法的3dp成型机，将步骤二中配制的粉末和粘接剂放入成型机中进行零件素坯的制备；

步骤四，在氢气还原炉中，按照预定升温工艺，首先以5℃/min的速度将炉温升至300℃，之后保温1h，完成制件的脱脂，再以10℃的速度将炉温升至500℃，同时通入氢气，其中氢气流量为1l/min,还原90min，完成步骤三中制备的零件素坯的还原，得到超细铁颗粒的零件素坯；

步骤五，在步骤四中所制备的超细铁颗粒的零件素坯表面用化学气相沉积的方法在颗粒表面沉积一层铝以便于连续渗透；

步骤六，对步骤五中处理过之后的零件素坯进行液态铝的反应渗透，将素坯预热后浸入600℃惰性气氛的铝溶体中，升温到900℃，保温4h后反应渗透完毕，去除样品，去除材料表面熔体，得到铁铝合金零件；

步骤七，对步骤八中制得的铁铝合金零件进行热处理，得到最终制件。

实施例2：

如图2所示的为涡轮增压器中叶轮的结构，包括叶轮的轮毂1、叶片部分2以及加强圈部分3。

步骤一，根据涡轮增压器叶片的结构及参数，采用ug三维建模软件设计叶轮模型；

其中，根据实验测得所制得的零件在烧结后会出现体积的收缩，选取收缩率为7.5％，将模型的尺寸放大；

步骤二，配制氧化铁粉末和粘接剂；

其中，氧化铁粉末的配制方法为将粒度为50～500nm的氧化铁粉末球磨30min，待充分混合后得到所需粉体；粘接剂的配制方法为以瓜尔豆胶和羧甲基纤维素钠作为粘接剂，以蒸馏水作为介质，其中瓜尔豆胶的质量分数为0.7％，羧甲基纤维素钠的质量分数为3％，混合均匀后置于搅拌器上搅拌30min。

步骤三，将步骤一中的零件三维模型转换为stl格式，按照零件的最小特征要求确定分层厚度并进行分层切片，分层厚度为0.1㎜，确定成型取向为叶片轴向，得到喷墨打印机用数据；使用基于喷射粘接法的3dp成型机，将步骤二中配制的粉末和粘接剂放入成型机中进行零件素坯的制备；

步骤四，在氢气还原炉中，按照预定升温工艺，首先以5℃/min的速度将炉温升至300℃，之后保温1h，完成制件的脱脂，再以10℃的速度将炉温升至500℃，同时通入氢气，其中氢气流量为1l/min,还原90min，完成步骤三中制备的零件素坯的还原，得到超细铁颗粒的零件素坯；

步骤五，在步骤四中所制备的超细铁颗粒的零件素坯表面用化学气相沉积的方法在颗粒表面沉积一层铝以便于连续渗透；

步骤六，对步骤五中处理过之后的零件素坯进行液态铝的反应渗透，将素坯预热后浸入600℃惰性气氛的铝溶体中，升温到900℃，保温4h后反应渗透完毕，去除样品，去除材料表面熔体，得到铁铝合金零件；

步骤七，对步骤八中制得的铁铝合金零件进行热处理，得到最终制件。

实施例3：

步骤一，配制所需要的氧化铁粉末和粘接剂，其中氧化铁粉末的配制方法为将粒度为50～500nm的氧化铁粉末球墨充分混合，得到所需氧化铁粉体；粘接剂的配制方法为按照质量分数取0.5％的瓜尔豆胶、2％的羧甲基纤维素钠，剩余量为蒸馏水；将瓜尔豆胶、羧甲基纤维素钠和蒸馏水混合后搅拌均匀，得到粘接剂。

步骤二，设计所需零件的模型，选择收缩率范围为5％，将零件模型放大，并按照零件模型的最小特征要求确定分层厚度并进行分层切片，分层厚度为0.1㎜，确定成型过程中的成型取向和扫描路径，并将相关数据发送至基于喷射粘接法的3dp成型机；

步骤三，将氧化铁粉末和粘接剂放入基于喷射粘接法的3dp成型机中，打印出零件素坯；

步骤四，将零件素坯经干燥后放入炉中通入氢气还原，氢气流量为1l/min,还原温度为400℃，还原时间为90min，得到超细铁颗粒的零件素坯；

步骤五，采用化学气相沉积法在超细铁颗粒的零件素坯表面沉积一层铝；

步骤六，对步骤五处理后的零件素坯进行液态铝的反应渗透，再将零件素坯预热后浸入600℃惰性气氛的铝溶体中，升温到900℃，保温4h后反应渗透完毕，去除零件素坯表面熔体，得到铁铝合金零件；

步骤七，对铁铝合金零件进行热处理，得到最终制件。

实施例4：

步骤一，配制所需要的氧化铁粉末和粘接剂，其中氧化铁粉末的配制方法为将粒度为50～500nm的氧化铁粉末球磨后充分混合，得到所需氧化铁粉体；粘接剂的配制方法为按照质量分数取1.5％的瓜尔豆胶、4％的羧甲基纤维素钠，剩余量为蒸馏水；将瓜尔豆胶、羧甲基纤维素钠和蒸馏水混合后搅拌均匀，得到粘接剂。

步骤二，设计所需零件的模型，选择收缩率范围为10％，将零件模型放大，并按照零件模型的最小特征要求确定分层厚度并进行分层切片，分层厚度为0.5㎜，确定成型过程中的成型取向和扫描路径，并将相关数据发送至基于喷射粘接法的3dp成型机；

步骤三，将氧化铁粉末和粘接剂放入基于喷射粘接法的3dp成型机中，打印出零件素坯；

步骤四，将零件素坯经干燥后放入炉中通入氢气还原，氢气流量为2l/min,还原温度为500℃，还原时间为90min，得到超细铁颗粒的零件素坯；

步骤五，采用化学气相沉积法在超细铁颗粒的零件素坯表面沉积一层铝；

步骤六，对步骤五处理后的零件素坯进行液态铝的反应渗透，再将零件素坯预热后浸入600℃惰性气氛的铝溶体中，升温到900℃，保温4h后反应渗透完毕，去除零件素坯表面熔体，得到铁铝合金零件；

步骤七，对铁铝合金零件进行热处理，得到最终制件。