铁基非晶合金气动喷射增材制造研究

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铁基非晶合金因其具有较大的过冷液相区间,优异的力学性能,耐磨耐腐蚀性能以及优异的软磁性能受到广泛关注。但由于加工方法不成熟,铁基非晶合金在工业生产中的进一步应用受到限制。气动喷射增材制造是一种新型的三维成形技术,因其具有设备成本低、材料适用广泛等优点,在金属、陶瓷等材料3D打印领域具有非常好的应用前景。本研究提出采用气动喷射增材制造的技术来制备铁基非晶合金,对铁基非晶合金广泛应用于工业生产等领域有重要的推动作用。以配制粘度适中、高固相含量、分散均匀稳定的浆料为目标,针对铁基非晶合金浆料的制备和流变性能进行了实验研究。基于Washburn方程设计开展了湿润性实验和悬浮稳定性实验,定性分析了不同形貌和粒度铁基非晶合金粉末的湿润性及悬浮稳定性,PH值对粉末湿润性和浆料悬浮稳定性的影响,以及不同种类分散剂对铁基非晶合金粉末的分散效果。实验结果表明,粒度大且球形度好的粉末湿润性好,碱性环境不利于铁基非晶合金粉末的湿润和稳定分散,分散剂聚丙烯酸铵的分散效果最好,粒度小且球形度好的粉末分散更稳定。制备出了固含量为50%,分散均匀稳定的铁基非晶合金浆料。利用旋转式粘度计测量了浆料粘度,铁基非晶合金粉末浆料属于非牛顿流体,且其粘度值随着粘结剂的含量变化而变化。针对浆料的流变特性搭建了气动喷射增材制造成形系统,并对铁基非晶合金粉末浆料进行了三维打印成形。设计正交试验,探究气压、平台速度和打印层高三个打印参数对打印线宽的影响规律。实验结果表明平台速度对线宽的影响最大,喷射气压对线宽的影响次之,打印层高对线宽的影响最小。优化了基板材料、路径规划和气压延迟等工艺参数,提高了打印件质量。利用非接触式三维扫描技术重构了打印件的三维模型,与其原三维数字模型进行对比,得到打印件的最大变形量为1.525 mm,平均变形量为0.256 mm,所搭建的气动喷射增材制造成形系统具有较好的打印精度。对铁基非晶合金打印件进行干燥脱脂烧结处理研究。研究了干燥时间与干燥速度的关系,制定了合理的干燥制度。对打印件进行热重分析,确定了打印件中有机物的分解温度,制定了以3℃/min的温升速率升至350℃,保温20 min,再以3℃/min的温升速率升至390℃,保温20 min,再以3℃/min的温升速率升至450℃,保温20 min的脱脂制度。通过差热分析,确定了铁基非晶合金的玻璃态转化温度Tg=501℃,第一晶化温度Tx1=602℃,第二晶化温度Tx2=647℃,第三晶化温度Tx3=702℃。实验分析了烧结温度和保温时间两个参数对烧结件性能的影响。当烧结温度为580℃,保温时间为1 h时,烧结件没有发生晶化,且相对密度较大,致密度较好。
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