一种基于增材制造技术的带随形水路的打印机模具镶件的制备方法与流程

1.本技术涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种基于增材制造技术的带随形水路的打印机模具镶件的制备方法。


背景技术：

2.增材制造加工”是指通过任意方法堆叠对应于切片的薄层制作三维结构的加工，其中切片是通过水平切割该三维结构而获得的。用于堆叠这种薄层的方法的实例包括：(a)重复进行形成金属粉末的薄层的步骤和使粉末层局部熔融并固化该熔体的步骤的方法，所述熔融通过使用例如激光或电子束之类的能量束照射实现；(b)堆叠各自具有指定形状的薄层并使其扩散结合的方法。
3.金属的增材制造技术具有如下有点：(a)可以形成具有复杂形状的金属部件，使得金属部件的形状接近最终形状，(b)这些技术具有更高的设计自由度，以及(c)与常规的切削成形技术相比，切削余量较小。因此，带随形水路的打印机模具镶件通常是采用增材制造技术进行加工制备。
4.用激光照射层状铺展的金属粉末使得粉末层局部熔融并且使熔融金属固化的增材制造加工称为选择性激光熔化(slm)法。slm增材制造加工的优点：仅通过改变激光照射位点的位置就能够容易地形成复杂的三维形状。因此，选择性激光熔化(slm)法是最佳的生产带随形水路的打印机模具镶件的方法，可以在打印机模具镶件内自由地设置非线性冷却水通道或三维冷却水通道。
5.采用slm型3d打印机进行带随形水路的打印机模具镶件的增材制造时，由于仅快速加热所成形的制品上表面，冷却之后会在成形制品的上表面存在残留拉伸应力，导致成形制品容易变形导致向下突出的加工问题。为此带随形水路的打印机模具镶件通常采用马氏体时效钢粉末作为增材制造粉末。马氏体时效钢在快速冷却时发生马氏体相变并膨胀。马氏体时效钢在马氏体相变后具有低硬度，并且可以通过时效处理得到硬化。因此，在带随形水路的打印机模具镶件的增材制造时，马氏体时效钢粉末的应用可降低成形制品较少产生裂纹或变形，获得高质量的带随形水路的打印机模具镶件。
6.针对上述中的采用马氏体时效钢粉末作为增材制造粉末制备带随形水路的打印机模具镶件的技术方案，申请人发现存在以下缺陷：带随形水路的打印机模具镶件的低热导率低，导致整体的低冷却效率偏低，且水冷孔处易产生裂纹影响产品品质的问题。


技术实现要素：

7.为了解释上述相关技术中的打印机模具镶件存在低热导率低，导致整体的低冷却效率偏低，且水冷孔处易产生裂纹技术问题，请提供了一种基于增材制造技术的带随形水路的打印机模具镶件的制备方法。
8.本技术提供的一种基于增材制造技术的带随形水路的打印机模，是通过以下技术
方案得以实现的：一种基于增材制造技术的带随形水路的打印机模具镶件的制备方法，包括以下步骤：步骤一，上机前准备、装夹基材；步骤二，加粉，用平铲将装入供粉平台内的打印机模具镶件专用金属粉，用力插实并将供粉平台周边粉末铺平压实；步骤三，安装与调平刮刀、铺粉、安装吸粉方管、清洁成型室，用擦拭纸蘸无水乙醇清洁成形室门的密封圈和安全玻璃；步骤四，调整3d打印工艺参数，激光功率150-320w，激光扫描速度800-1200毫米每秒，光斑直径为0.04-0.0.08mm，熔池间距在0.06-0.2mm之间，吹风功率在20-80％之间，平台温度在20-200℃之间；步骤五，成形仓内冲入纯度≥99.99％的氩气，使得成形仓内的氧气含量低于0.1％，加载数据，逐层打印得半成品带随形水路的打印机模具镶件；步骤六，对半成品带随形水路的打印机模具镶件进行热处理，退火温度为400-800℃，退火时间为6-12h，淬火温度为900-1200℃，淬火2-4h，冷却至室温后进行回火，回火300-600℃，回火时间为1-4h，得成品带随形水路的打印机模具镶件；所述打印机模具镶件专用金属粉，按照重量百分比，其化学组分如下：c：0-0.02％；si：0.3-1.2％；cr：13.0-16.0％；mo：0.2-0.5％；ni:4.0-10.0％；co：10.0-20.0％；v：0.05-0.1％；ta：0.05-0.3％；p、s、b含量低于0.02％；余量为铁和必可避免的杂质元素。
9.本技术中co作为熵合金元素在回火时形成富ni析出相，ta与ni形成ni3ta，ni3ta具有热力学稳定性，在弹性性能方面表现出优良的延展性能，可一定程度上改善水冷孔处易产生裂纹的情况。mo催进cr钝化膜富集，有效改善了本技术的耐腐蚀性和稳定性。本技术中采用v元素作为优脱氧剂，细化了本技术的组织晶粒，进而提高本技术的强度和韧性，改善水冷孔处易产生裂纹的情况。钒与碳形成的碳化物,在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。除了富ni析出相的弥散强化，较高的co、fe及ni等元素产生一定的固溶强化效果，类同于中熵合金中的固溶强化效应。综上所述，本技术生产的打印机模具镶件具有较好的导热系数，冷却效率相对较好且韧性较好，水冷孔处不易产生裂纹。
10.优选的，所述打印机模具镶件专用金属粉，按照重量百分比，其化学组分如下：c：0-0.02％；si：0.3-1.2％；cr：14.0-16.0％；mo：0.2-0.5％；ni:8-10.0％；co：14-16％；v：0.05-0.1％；ta：0.05-0.3％；p：0-0.010％；s：0-0.010％；b：0.001-0.004％；余量为铁和必可避免的杂质元素。
11.通过采用上述技术方案，进一步优化化学组分可可进一步改善本技术的导热系数，提升本技术的冷却效率，还可改善水冷孔处易产生裂纹的情况。
12.优选的，所述打印机模具镶件专用金属粉是采用雾化法制成的球形粉末合金，粒度控制在10-45微米之间，呈正态分布，纯度≥99.99％。
13.通过采用上述技术方案，保证打印机模具镶件专用金属粉的高质量需求，有利于本技术3d打印工艺的实施，且也可有效的保证本技术的质量稳定性，获得无开裂、冷却效率
高、内应力低、韧性较好的带随形水路的打印机模具镶件。
14.优选的，所述打印机模具镶件专用金属粉的制备方法：先按照配比称量原料，混合均匀，加热至1340-1420℃熔化成钢水，然后利用雾化法将得到的钢水进行雾化成粉末，自然冷却，筛分，得粒度为10-40微米的打印机模具镶件专用金属粉。
15.通过采用上述技术方案，本技术的制备方法相对简单便于实现工业化生产。
16.优选的，所述打印机模具镶件专用金属粉是采用雾化法制成的球形粉末合金，粒度控制在10-45微米之间；所述打印机模具镶件专用金属粉包括：40-45％的10-15微米的打印机模具镶件专用金属粉、20-25％的15-20微米的打印机模具镶件专用金属粉、15-18％的20-25微米的打印机模具镶件专用金属粉、14-18％的25-30微米的打印机模具镶件专用金属粉、余量为30-40微米的打印机模具镶件专用金属粉；所述15-20微米的打印机模具镶件专用金属粉经过热处理调质。
17.通过优化打印机模具镶件专用金属粉的粒径分布且对15-20微米的打印机模具镶件专用金属粉经过热处理调质，进而实现了改善3d打印工艺，生产制备得到具有良好冷却效率、无开裂、内应力低、韧性较好的带随形水路的打印机模具镶件。
18.优选的，所述打印机模具镶件专用金属粉的制备方法：s1.1，按照配比称量原料，混合均匀，加热至1340-1420℃熔化成钢水，然后利用雾化法将得到的钢水进行雾化成粉末，自然冷却，得合金粉料；s1.2，将s1.1中的合金粉料置于微细分级机中进行分筛，得到的打印机模具镶件专用金属粉粒度分为五个级别：10-15微米的打印机模具镶件专用金属粉、15-20微米的打印机模具镶件专用金属粉、20-25微米的打印机模具镶件专用金属粉、25-30微米的打印机模具镶件专用金属粉、30-40微米的打印机模具镶件专用金属粉；s1.3，取15-20微米的打印机模具镶件专用金属粉升温至780-800℃维持20-30min，降温至450-500℃维持30-60min，自然冷却得调质15-20微米的打印机模具镶件专用金属粉；s1.4，最后按配比称量，混合均匀，得打印机模具镶件专用金属粉。
19.通过采用上述技术方案，本技术的制备方法相对简单便于实现工业化生产。
20.优选的，所述步骤四，调整3d打印工艺参数，激光功率320瓦，激光扫描速度1000毫米每秒，光斑直径为0.06mm，熔池间距在0.08mm之间，吹风功率在35％之间，平台温度在25℃。
21.通过采用上述技术方案，优化3d打印工艺参数可保证同批次产品质量。
22.优选的，所述步骤六中的热处理操作包括：s1，将步骤五中的半成品带随形水路的打印机模具镶件以3-4℃/min的加热速度升温至220-250℃，保温20-40min，以6.0-6.5℃/min的加热速度升温至400-420℃，退火处理为8-10h；s2，以7.0-7.5℃/min的加热速度升温至880-940℃，保温时间为2-3h；s3，气淬，以20-22℃/min的降温速度，降温至常温；s4，以10-12℃/min的加热速度升温至480-530℃，保温时间为3-4h；s5，风冷，以8-12℃/min的降温速度，降温至常温；s6，重复s4和s5至少两次，得成品带随形水路的打印机模具镶件。
23.通过采用上述热处理方式可改善本技术的强度、韧性，使得生产制备的成品带随形水路的打印机模具镶件不仅力学性能符合要求，且具有较好的导热性能，水冷孔处不易产生裂纹。
24.优选的，所述步骤六中的热处理操作包括：s1，将步骤五中的半成品带随形水路的打印机模具镶件以3-4℃/min的加热速度升温至220-250℃，保温20-40min，以6.0-6.5℃/min的加热速度升温至400-420℃，退火处理为8-10h；s2，以7.0-7.5℃/min的加热速度升温至880-940℃，保温时间为2-3h；s3，气淬，以20-22℃/min的降温速度，降温至常温；s4，以8-12℃/min的加热速度升温至450-480℃，采用氮氢混合气体进行时效热处理结合离子渗氮处理，氮氢混合气体中氢气和氮气的体积比为4:46，保温时间为4-6h，自然冷却，降温至常温，得成品打印机模具镶件。
25.通过采用上述热处理方式可改善本技术的强度、韧性，使得生产制备的成品带随形水路的打印机模具镶件不仅力学性能符合客户要求，且具有较好的导热性能，水冷孔处不易产生裂纹，此外，使得本技术的表面硬度高、耐蚀性好、耐热性能好有进一步改善。
26.综上所述，本技术具有以下优点：1、本技术生产的打印机模具镶件具有较好的导热系数，冷却效率较好。
27.2、本技术生产的打印机模具镶件韧性较好，水冷孔处不易产生裂纹。
28.3、本技术的制备方法相对简单且易于实现工业化生产，便于推向市场。
具体实施方式
29.以下结合对比例和实施例对本技术作进一步详细说明。
30.制备例制备例1打印机模具镶件专用金属粉，按照重量百分比，其化学组分如下：c：0.01％；si：0.6％；cr：14.8％；mo：0.26％；ni:8.0％；mn：0.09％；co：18.0％；v：0.06％；ta：0.12％；p：0.010％；s：0.006％；b：0.002％；余量为铁和必可避免的杂质元素。
31.打印机模具镶件专用金属粉的制备方法：按照上述成分配比，利用气雾化法将高温熔融态合金冷却至室温，经历液固相变(凝固)、固态相变得到具有细晶马氏体组织的球形粉末，筛分得粒径在10～40μm之间的镶件专用金属粉，所得镶件专用金属粉呈正态分布，纯度≥99.99％。
32.制备例2打印机模具镶件专用金属粉，按照重量百分比，其化学组分如下：c：0.01％；si：0.6％；cr：14.8％；mo：0.26％；ni:8.0％；mn：0.09％；co：18.0％；v：0.06％；ta：0.12％；p：0.010％；s：0.006％；b：0.002％；余量为铁和必可避免的杂质元素。
33.打印机模具镶件专用金属粉包括：43％的10-15微米的打印机模具镶件专用金属粉；22％的15-20微米的打印机模具镶件专用金属粉；18％的20-25微米的打印机模具镶件专用金属粉；
14％的25-30微米的打印机模具镶件专用金属粉；余量为30-40微米的打印机模具镶件专用金属粉。
34.15-20微米的打印机模具镶件专用金属粉经过热处理调质。
35.打印机模具镶件专用金属粉的制备方法：s1.1，按照上述成分配比，利用气雾化法将高温熔融态合金冷却至室温，经历液固相变(凝固)、固态相变得到具有细晶马氏体组织的球形粉末；s1.2，将s1.1中的细晶马氏体组织的球形粉末置于微细分级机中进行分筛，得到的打印机模具镶件专用金属粉粒度分为五个级别：10-15微米的打印机模具镶件专用金属粉、15-20微米的打印机模具镶件专用金属粉、20-25微米的打印机模具镶件专用金属粉、25-30微米的打印机模具镶件专用金属粉、30-40微米的打印机模具镶件专用金属粉；s1.3，取15-20微米的打印机模具镶件专用金属粉升温至780℃维持30min，降温至480℃维持60min，自然冷却得调质15-20微米的打印机模具镶件专用金属粉；s1.4，最后按配比称量，混合均匀，得成品打印机模具镶件专用金属粉。
36.制备例3制备例3与制备例1的区别在于：打印机模具镶件专用金属粉，按照重量百分比，其化学组分如下：c：0.01％；si：0.64％；cr：16.5％；mo：0.28％；ni:8.5％；mn：0.08％；co：16.5％；v：0.07％；ta：0.14％；p：0.010％；s：0.006％；b：0.002％；余量为铁和必可避免的杂质元素。
37.制备例4制备例4与制备例1的区别在于：打印机模具镶件专用金属粉，按照重量百分比，其化学组分如下：c：0.01％；si：0.6％；cr：15％；mo：0.25％；ni:8.0％；mn：0.09％；co：5.0％；v：0.06％；ta：0.12％；p：0.010％；s：0.006％；b：0.002％；余量为铁和必可避免的杂质元素。
38.制备例5制备例5与制备例1的区别在于：打印机模具镶件专用金属粉，按照重量百分比，其化学组分如下：c：0.01％；si：0.6％；cr：15％；mo：0.25％；ni:8.0％；mn：0.09％；v：0.06％；ta：0.12％；p：0.010％；s：0.006％；b：0.002％；余量为铁和必可避免的杂质元素。
39.制备例6制备例6与制备例1的区别在于：打印机模具镶件专用金属粉，按照重量百分比，其化学组分如下：c：0.01％；si：0.6％；cr：14.8％；mo：0.26％；ni:8.0％；mn：0.09％；co：18.0％；v：0.06％；p：0.010％；s：0.006％；b：0.002％；余量为铁和必可避免的杂质元素。实施例
40.实施例1本技术公开的一种基于增材制造技术的带随形水路的打印机模具镶件的制备方法，包括以下步骤：步骤一，操机人员上机前准备好工具和个人防护；
步骤二，装夹基材，用深度尺测量工作平台的基材上表面与四周平台的高度差，确认无误后用内六角扳手将基材完全紧固，紧固扭矩为12n
·
m，确保装夹平整；步骤三，金属粉末为选用的是制备例1中制备的成品打印机模具镶件专用金属粉进行烘干处理，烘干温度120℃，烘干时间为4h，降温至25℃，风冷烘干1.0h，得烘干得成品打印机模具镶件专用金属粉，采用成品打印机模具镶件专用金属粉进行加粉，用平铲将装入供粉平台内的金属粉末用力插实并将供粉平台周边粉末铺平压实；步骤四，安装与调平刮刀，然后铺粉，使首层粉末均匀铺在基板上且厚度不超过0.03mm；步骤五，安装吸粉方管，然后清洁成型室，用擦拭纸蘸无水乙醇清洁成形室门的密封圈和安全玻璃；步骤六，调整3d打印工艺参数，激光功率180w，激光扫描速度0.82m/s，光斑直径为0.08mm，熔池间距在0.1mm之间，吹风功率在30％之间，平台温度在25℃；步骤七，成形仓内冲入纯度≥99.99％的氩气，使得成形仓内的氧气含量低于0.1％；步骤八，加载数据，逐层打印得半成品带随形水路的打印机模具镶件；步骤九，对半成品带随形水路的打印机模具镶件进行热处理，热处理操作包括以下步骤：s1，将步骤八中的半成品带随形水路的打印机模具镶件以3℃/min的加热速度升温至240℃，保温40min，以6.0℃/min的加热速度升温至420℃，退火处理为8h；s2，以7℃/min的加热速度升温至880℃，保温时间为3h；s3，气淬，以20-22℃/min的降温速度，降温至常温；s4，以10℃/min的加热速度升温至480℃，保温时间为4h；s5，风冷，以10-12℃/min的降温速度，降温至常温；s6，重复s4和s5两次，得成品带随形水路的打印机模具镶件。
41.实施例2实施例2与实施例1的区别在：采用制备例2中的制备的成品打印机模具镶件专用金属粉。
42.实施例3实施例3与实施例1的区别在：采用制备例3中的制备的成品打印机模具镶件专用金属粉。
43.实施例4实施例4与实施例1的区别在：热处理操作包括以下步骤：s1，将步骤八中的半成品带随形水路的打印机模具镶件以4℃/min的加热速度升温至220℃，保温30min，以7℃/min的加热速度升温至420℃，退火处理为8h；s2，以7℃/min的加热速度升温至920℃，保温时间为3h；s3，气淬，以20-22℃/min的降温速度，降温至常温；s4，以10℃/min的加热速度升温至460℃，保温时间为4h；s5，风冷，以10-12℃/min的降温速度，降温至常温；
s6，重复s4和s5两次，得成品带随形水路的打印机模具镶件。
44.实施例5实施例5与实施例1的区别在：热处理操作包括以下步骤：s1，将步骤五中的半成品带随形水路的打印机模具镶件以3℃/min的加热速度升温至240℃，保温40min，以6.0℃/min的加热速度升温至420℃，退火处理为8h；s2，以7.0℃/min的加热速度升温至880℃，保温时间为3h；s3，气淬，以20-22℃/min的降温速度，降温至常温；s4，以10-12℃/min的加热速度升温至480℃，采用氮氢混合气体进行时效热处理结合离子渗氮处理，氮氢混合气体中氢气和氮气的体积比为4:46，保温时间为4h，自然冷却，降温至常温，得成品打印机模具镶件。
45.实施例6实施例6与实施例1的区别在：热处理操作包括以下步骤：s1，将步骤五中的半成品带随形水路的打印机模具镶件以4℃/min的加热速度升温至220℃，保温30min，以6.0℃/min的加热速度升温至420℃，退火处理为8h；s2，以7.0℃/min的加热速度升温至920℃，保温时间为3h；s3，气淬，以20-22℃/min的降温速度，降温至常温；s4，以10-12℃/min的加热速度升温至460℃，采用氮氢混合气体进行时效热处理结合离子渗氮处理，氮氢混合气体中氢气和氮气的体积比为4:46，保温时间为5h，自然冷却，降温至常温，得成品打印机模具镶件。
46.对比例对比例1对比例1与实施例1的区别在：采用常规的马氏体时效钢粉末。
47.对比例2对比例2与实施例1的区别在：采用制备例4中的制备的成品打印机模具镶件专用金属粉。
48.对比例3对比例3与实施例1的区别在：采用制备例5中的制备的成品打印机模具镶件专用金属粉。
49.对比例4对比例4与实施例1的区别在：采用制备例6中的制备的成品打印机模具镶件专用金属粉。
50.性能检测试验检测方法/试验方法1、热导系数测定：按照《gb/t 3651-2008金属高温导热系数测量方法》。
51.2、水冷孔处表面测试裂纹情况：按照实施例1-6和对比例1-4提供的制备方法，分别制备10个测试样品。采用10倍的放大镜贯穿每个样品水冷孔处表面裂纹情况，记录成表。
52.3、延伸率的测试方法：按照《gb/t 228-2010金属拉伸试验方法》进行测试。
53.4、屈服强度的测试方法：按照gb/t 1591-2008《低合金高强度结构钢》进行测试。
54.5、盐雾试验：按照gb5938—86《轻工产品金属镀层和化学处理层的耐腐蚀试验方法》进行测试人工模拟盐雾环境试验。
55.数据分析表1是实施例1-6和对比例1-4的检测参数4的检测参数表2是实施例1-6和对比例1-4的裂纹检测参数结合实施例1-6和对比例1-4并结合表1可以看出，实施例1-6中的制备的带随形水路的打印机模具镶件的导热系数大于对比例1中制备的带随形水路的打印机模具镶件，因此，本技术中的制备的带随形水路的打印机模具镶件具有较好的导热系数，冷却效率相对较高。
56.结合实施例1-6和对比例1-4并结合表2可以看出，实施例1-6中的制备的带随形水路的打印机模具镶件的水冷孔处表面未出现裂纹，但是对比例1中出现了裂纹，因此，本技术中的随形水路的打印机模具镶件质量更加。此外，实施例1-6中的制备的带随形水路的打印机模具镶件的耐盐雾性能较好。
57.结合实施例1-6和对比例1-4并结合表1可以看出，实施例5-6中制备的带随形水路的打印机模具镶件的屈服强度、延展性能比实施例1、4中制备的带随形水路的打印机模具镶件更优，因此，采用时效热处理结合离子渗氮处理可改善本技术的强度、延展性。
58.结合实施例1-6和对比例1-4并结合表1可以看出，实施例1中制备的带随形水路的打印机模具镶件的导热系数优于对比例2，因此，co元素的引入在不明显下降本技术强度、韧性前提下，可改善本技术的导热性能，提高本技术的冷却效果。实施例1、3中制备的带随形水路的打印机模具镶件的导热系数优于对比例3，因此，co含量控制在10-20％较优。
59.结合实施例1-6和对比例1-4并结合表2可以看出，实施例1中制备的带随形水路的打印机模具镶件的导热系数、延展性优于实施例1中制备的带随形水路的打印机模具镶件的导热系数、延展性，因此，采用制备例2中的打印机模具镶件专用金属粉制备的带随形水路的打印机模具镶件导热系数、延展性有所改良，具有积极作用。
60.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。