316L不锈钢粉末凝胶注模成形工艺研究

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3D打印技术是一种快速成形增材制造技术具有生产周期短、可成形复杂零件、材料利用率高等优点与凝胶注模成形的湿法粉末冶金技术相互结合可以代替金属3D打印从而实现复杂金属零件的快速成形。本文以气雾化316L不锈钢为原材料,首先采用3D打印的方法制备复杂塑料模壳作为后续浆料充填及反应固化的容器。研究不同单体溶剂配比、分散剂加入量以及引发剂与催化剂配比通过分析浆料粘度、固化时间、坯体强的等指标选出最佳配置浆料比例。采用Fluent软件进行浆料充填模具过程的模拟,揭示了粘度对充型过程及充填结果的影响。对坯体进行热失重分析,根据热失重分析的结果选择400℃保温,1200-1350℃烧结并保温1-2h的烧结工艺对不锈钢坯体进行烧结实验。揭示了烧结温度与保温时间对零件金相组织、弯曲强度、拉伸强度、硬度及致密度的影响。研究结果确定了316L不锈钢通过3D打印凝胶注模成形的方法快速制备复杂零件的工艺路线,为低成本、高效率地制备复杂形状、大尺寸金属零部件奠定了基础。本实验在室温下探究了浆料各成分比例的变化对粘度的影响,结果显示浆料固相含量、单体溶剂比例以及分散剂含量均对浆料粘度影响较大。通过探究交联剂与催化剂的配比对固化时间及反应程度的影响,结果显示固化时间随交联剂催化剂增加而减少,但是反应时间过短会使反应过于剧烈导致致密度下降。通过三点弯曲的方法探究不同固相含量对坯体强度的影响,实验结果表明坯体强度随固相含量的提高先上升后下降。结合不同剪切速率下的粘度根据非牛顿流体的Carreau模型拟合所测得的粘度数据。在Fluent软件中建立准确的三维模型并导入粘度、密度等材料数据,对不同固相含量的浆料充型情况进行模拟。选取典型模拟工况进行试验比对,结果显示模拟情况与实际充填情况较为符合,可以根据模拟结果对复杂零件的充型情况进行预测。对固化坯体进行热重分析得到甲苯—HEMA凝胶体系的TG—DSC曲线,根据热失重曲线以及316L不锈钢熔点确定保温温度及一系列烧结温度,并对烧结后材料进行分析。实验结果表明随着烧结温度的提高材料的致密度及力学性能均得到提升,且晶粒的尺寸均发生变化。结合微观组织结构及力学性能发现,在1350℃保温1.5h为凝胶注模成形316L不锈钢烧结的最佳工艺参数。
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