快速成型（增材制造）在制造技术中的应用

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：图6-39 720mm×760mm×1600mm 等离子成型喷涂钨坩埚快速成型技术是20世纪80年代末期开始研究的一种高新技术。热喷涂技术应用于快速成型的有电弧喷涂技术、冷气动力喷涂技术和等离子喷涂技术。

图6-39 ϕ720mm×ϕ760mm×1600mm 等离子成型喷涂钨坩埚

快速成型（增材制造）技术是20世纪80年代末期开始研究的一种高新技术。快速成型将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集中于一体，依据计算机上构建的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层次的二维轮廓，再按照这些轮廓，成形头选择性地固化一层层的液态树脂（或切割一层层的纸、烧结一层层的粉末材料、喷涂一层层的热熔材料或黏结剂等），形成各个截面轮廓并逐步顺序叠加成三维工件。

热喷涂技术应用于快速成型的有电弧喷涂技术、冷气动力喷涂技术和等离子喷涂技术。其优点有：生产率高，成本低，操作简单；喷涂前工件不需预热，喷涂时只有很少的热量传至工件，所以工件可维持较低的温度（一般不超过65℃），不易发生变形，在较短的时间内能牢固地喷涂高达10mm厚的金属涂层。其主要缺点有：形成金属薄壳时会在薄壳内产生很高的应力，为此在喷涂的同时进行喷丸处理，由于钢丸撞击金属薄壳，诱发压应力从而抵消薄壳内的张应力；难于喷涂窄槽和小孔内表面，为此可先用铝、黄铜制作窄槽或小孔样嵌块，并将其固定在基体相应的位置上，然后围绕这些嵌块进行喷涂，在后续工序中及时移去基底，嵌块也能很好地固定在金属薄壳涂层上，并且其强度比薄壳好；涂层组织结构不够致密，有疏松小孔，影响强度和密封性。

1.等离子喷涂快速成型技术

等离子喷涂快速成型技术用涂层材料选择广泛，可以喷涂各种金属材料和非金属陶瓷材料。其制备工艺简单，可选择不同成分的粉末材料，以适应工件表面对性能的不同要求；喷涂效率高；工艺稳定性好，涂层氧含量低、组织致密，力学性能比电弧喷涂好。图6-39所示为钢铁研究总院采用等离子喷涂成型技术制备的ϕ720mm×ϕ760mm×1600mm钨坩埚。相对密度≥83%，经2350℃预烧结后，可直接作为高温炉发热体对难熔金属材料进行烧结。

薄壁、细长非标准陶瓷制件，采用水稳等离子喷涂快速成型技术在铝合金芯模上喷涂Al₂O₃-TiO₂陶瓷涂层，制备出装置于人造卫星中的X射线天文望远镜的镜罩，镜罩直径为600mm，高为240mm，厚度为0.5～3.2mm，圆柱度达±70μm。膨胀系数小，有利于避免热像差，质量不到原电镀镍镜罩的一半，质量的降低对于人造卫星是十分有利的。

2.冷气动力喷涂近净成型技术

冷气动力喷涂是一种新型固态涂层制备方法，在制备高性能金属或金属基复合材料涂层方面表现出突出的优势。通过设备与工艺设计，冷气动力喷涂有望实现金属构件的近净成型或增材制造。

1）镀膜用旋转靶材。冷气动力喷涂在溅射靶材的制造上具有显著优势，涂层无氧化，应力低，性能最大限度接近原始材料性能，可制备厚度大于10mm，图6-40所示为冷气动力喷涂制备的旋转溅射Cr靶材。

图6-40 冷气动力喷涂旋转溅射Cr靶材

2）冷气动力喷涂近净成形零件。图6-41所示为冷气动力喷涂近净成型制备的钛合金零件。

材料为Ti-6Al-4V；沉积速率为5kg/h；沉积效率为80%；喷枪移动速度为100mm/s，喷束斑点尺寸为7mm。零件近净成型后可避免或减少续加工。

快速成型（增材制造）在制造技术中的应用

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