一种用于粘结剂喷射增材制造镍基合金的粘结剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种粘结剂，特别涉及一种用于粘结剂喷射增材制造镍基合金的粘结剂及其制备方法与应用。

背景技术

增材制造不同于传统的制造工艺，是基于“离散-堆积“的原理，根据零件设计的三维模型数据，在计算机的指引下，采用材料逐渐累加方法成形零件的技术，具备可成形复杂零件，制造周期短和不需要另行设计模具和夹具等优势。

粘结剂喷射增材制造(BJAM)技术是根据零件三维模型切片的每层数据，通过喷墨打印头逐层向粉末床上喷射粘结剂，经过固化后将粉末粘结在一起形成零件初坯，然后经过脱脂和烧结处理，成形致密化的零件。与粉末床熔化(PBF)和直接能量沉积(DED)技术相比，具有低成本、高效率、材料广、表面优和无需支撑结构等优势，但也存在成形零件致密度不足，机械性能较低的劣势。

镍基合金高温下的组织具有较好的稳定性，具备优异的高温力学性能及耐腐蚀性被广泛应用于航空航天和化工等特殊领域。

目前关于粘结剂喷射增材制造(BJAM)技术成形镍基合金，在成形工艺方面，有学者对不同层厚和烧结温度进行研究，但制备的零件仍然很难获得足够的致密度和较高的机械性能。

发明内容

发明目的：本发的第一目的为提供一种用于粘结剂喷射增材制造镍基合金的粘结剂提高镍基合金致密度和机械性能；本发明的第二目的是提供所述粘结剂的制备方法；本发明的第三目的是提供所述粘结剂的应用。

技术方案：本发明所述的用于粘结剂喷射增材制造镍基合金的粘结剂，按质量分数计，包括：10％～20％的亲水性溶剂、3％～10％的表面活性剂、0.5％～2％石墨烯颗粒和70％～85％的水。

优选的，所述石墨烯颗粒厚度为1～10nm，石墨烯片径为1～10μm。

优选的，所述亲水性溶剂为乙二醇单甲醚和二甘醇中的一种或两种。

优选的，所述表面活性剂为硬脂酸、硬脂酸锌和硬脂酸锂中的一种或多种。

本发明所述的粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)首先将石墨烯颗粒和水均匀混合，得到石墨烯分散液；

(2)然后将亲水性溶剂和石墨烯分散液均匀混合，得到混合溶液；

(3)最后将表面活性剂和步骤(2)的混合溶液均匀混合，得到所述粘结剂。

优选的，步骤(1)～(3)混合温度为15～25℃。

本发明所述的粘结剂在粘结剂喷射增材制造镍基合金中的应用。

所述应用方法为：将粘结剂加入到粘结剂喷射增材制造设备中，对镍合金粉末进行打印，打印完成后，在烘箱中加热至80～90℃进行固化，之后在真空下进行脱脂和烧结处理，得到镍基合金零件。

优选的，所述的镍合金粉末包括Ni718或Ni625，颗粒为球形，平均粒径为50～80μm；打印时，层厚设置为0.1mm～0.2mm。

随着脱脂过程的结束，粘结剂中的除了石墨烯外的亲水性溶剂、表面活性剂和水等都会完全挥发，对最终成形的镍基合金无不良影响。优选的，所述的脱脂温度为380℃～400℃，脱脂时间为4～5h。

优选的，所述的烧结温度为1280℃～1300℃，烧结时间为3～4h。

发明机理：石墨烯是碳原子以sp

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)该粘结剂中引入了石墨烯颗粒，用于粘结剂喷射增材制造镍基合金，填补了镍基合金的空隙，提高了其致密度，而且石墨烯颗粒可以细化晶粒，进一步提高其机械性能；(2)该粘结剂组成成分获取途径广泛，价格低廉，水基粘剂作为其主要组成部分，绿色环保，无污染。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

本发明的用于粘结剂喷射增材制造镍基合金的粘结剂，按质量分数计，包括：15％的亲水性溶剂、4.5％的表面活性剂、0.5％石墨烯颗粒和80％纯水溶剂；其中，所述石墨烯颗粒厚度为5nm，片径为5μm；所述亲水性溶剂选自乙二醇单甲醚，密度为0.998g/ml；所述表面活性剂选自硬脂酸，密度为0.84g/ml。

所述粘结剂的制备方法包括以下步骤：

(1)首先将质量占比0.5％石墨烯颗粒和80％纯水在20℃下均匀混合，得到石墨烯分散液；

(2)然后将质量占比15％的亲水性溶剂和石墨烯分散液在20℃下均匀混合，得到混合溶液；其中所述亲水性溶剂为乙二醇单甲醚；

(3)最后将质量占比4.5％的表面活性剂和混合溶液在20℃下均匀混合，得到水基粘结剂溶液；其中所述表面活性剂为硬脂酸。

应用：

将上述制备的粘结剂加入到粘结剂喷射增材制造设备中，对镍合金粉末进行打印，层厚设置为0.15mm，打印完成后，在烘箱中加热至80℃并保持3h进行固化，之后在真空下进行脱脂和烧结处理，脱脂和烧结温度分别为380℃和1280℃，脱脂和烧结时间分别为4h和3h，以获得1#石墨烯弥散强化镍基合金零件。其中所述的镍合金粉末为Ni718，颗粒为球形，平均粒径为60μm。

实施例2

本发明的用于粘结剂喷射增材制造镍基合金的粘结剂，按质量量分数计，包括：20％的亲水性溶剂、3％的表面活性剂、1％石墨烯颗粒和76％纯水溶剂；其中，所述石墨烯颗粒厚度为1nm，片径为1μm；所述亲水性溶剂选自二甘醇，密度为1.12g/ml；所述表面活性剂选自硬脂酸锌，密度为1.1g/ml。

所述粘结剂的制备方法包括以下步骤：

(1)首先将质量占比1％石墨烯颗粒和75％水基粘剂在20℃下均匀混合，得到石墨烯分散液；

(2)然后将质量占比20％的亲水性溶剂和石墨烯分散液在20℃下均匀混合，得到混合溶液；其中所述亲水性溶剂为二甘醇；

(3)最后将质量占比4％的表面活性剂和混合溶液在20℃下均匀混合，得到水基粘结剂溶液；其中所述表面活性剂为硬脂酸锌。

应用：

将上述制备的粘结剂加入到粘结剂喷射增材制造设备中，对镍合金粉末进行打印，层厚设置为0.15mm，打印完成后，在烘箱中加热至80℃并保持3h进行固化，之后在真空下进行脱脂和烧结处理，脱脂和烧结温度分别为380℃和1280℃，脱脂和烧结时间分别为4h和3h，以获得2#石墨烯弥散强化镍基合金零件。其中所述的镍合金粉末为Ni718，颗粒为球形，平均粒径为50μm。

实施例3

本发明的用于粘结剂喷射增材制造镍基合金的粘结剂，按质量分数计，包括：10％的亲水性溶剂、10％的表面活性剂、2％石墨烯颗粒和78％纯水溶剂；其中，所述石墨烯颗粒厚度为10nm，片径为10μm；所述亲水性溶剂选自乙二醇单甲醚，密度为0.998g/ml；所述表面活性剂选自硬脂酸锂，密度为1.025g/ml。

所述粘结剂的制备方法包括以下步骤：

(1)首先将质量占比0.5％石墨烯颗粒和85％水基粘剂在20℃下均匀混合，得到石墨烯分散液；

(2)然后将质量占比10％的亲水性溶剂和石墨烯分散液在20℃下均匀混合，得到混合溶液；其中所述亲水性溶剂为乙二醇单甲醚；

(3)最后将质量占比4.5％的表面活性剂和混合溶液在20℃下均匀混合，得到水基粘结剂溶液；其中所述表面活性剂为硬脂酸锂。

应用：

将上述制备的粘结剂加入到粘结剂喷射增材制造设备中，对镍合金粉末进行打印，层厚设置为0.15mm，打印完成后，在烘箱中加热至80℃并保持3h进行固化，之后在真空下进行脱脂和烧结处理，脱脂和烧结温度分别为380℃和1280℃，脱脂和烧结时间分别为4h和3h，以获得3#石墨烯弥散强化镍基合金零件。其中所述的镍合金粉末为Ni625，颗粒为球形，平均粒径为80μm。

性能表征

对实施例1～3制备的镍基合金零件的致密度和机械强度进行测试，测试方法如下：

致密度测试方法：利用BSA124S型电子天平测量质量，根据阿基米德原理计算；

机械强度测试方法：拉伸试验按照GB/T 228.1-2010标准进行。

测试结果见表1。

表1

由表1可得，本发明实施例1～3制备得镍基合金零件，相较于空白对照组(不加入粘结剂)，其致密度和机械强度均提高。这是由于粘结剂中引入了石墨烯颗粒，填补了镍基合金的空隙，提高了其致密度，而且石墨烯颗粒可以细化晶粒，进一步提高其机械性能。