專利名稱：梯度功能材料快速模具及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于快速制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種工作面由陶瓷/金屬、金屬/金屬梯度功能材料構(gòu)成以及背襯材料亦呈梯度化的快速模具及其制造方法。
背景技術(shù)：
快速制模由于周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)成為該領(lǐng)域?qū)W者研究的熱點(diǎn)，并在一些場(chǎng)合得到了基礎(chǔ)運(yùn)用?，F(xiàn)有技術(shù)中采用熔射成形方法制作模具，把高熔點(diǎn)的陶瓷、金屬及金屬合金作為工作層，然后再輔以中低熔點(diǎn)合金背襯補(bǔ)強(qiáng)工序快速制作耐久硬模具，但由于此類模具工作層與背襯層是分步制造的，結(jié)合處有突變的界面，工作條件下很容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力和應(yīng)變而失效，影響了模具的工作性能和使用壽命。
模具在工作過(guò)程中工作面的受力和受熱在內(nèi)部傳遞是連續(xù)變化的，設(shè)計(jì)相應(yīng)的梯度功能材料(FGM)可以緩和模具的受力和受熱，提高模具的使用壽命。梯度功能材料的基本思想是根據(jù)模具工作要求選擇不同性能材料，采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，通過(guò)連續(xù)改變不同材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部界面消失，得到功能相應(yīng)的、組成成分和微觀結(jié)構(gòu)緩變的非均質(zhì)材料。從耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性以及強(qiáng)韌性來(lái)看，模具的工作條件和應(yīng)用場(chǎng)合并不要求模具材料的均勻性和單一性，而梯度化的材料更適合模具本身發(fā)揮潛能，提高使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使用性能高、壽命長(zhǎng)的梯度功能材料(FGM)快速模具。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種制造上述梯度功能材料快速模具的方法。該方法成本低、周期短，能夠?qū)崿F(xiàn)梯度功能材料成形和模具深加工一體化。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的梯度功能材料快速模具，包括工作層和背襯層；上述工作層由成分和結(jié)構(gòu)連續(xù)變化的梯度功能材料構(gòu)成，背襯層材料亦呈梯度化的結(jié)構(gòu)。
梯度功能材料快速模具的制造方法，由以下步驟實(shí)現(xiàn)一、制備熔射模；二、在熔射模上熔射FGM工作層；三、在FGM工作層上熔射過(guò)渡背襯層；四、在過(guò)渡背襯層上澆鑄后續(xù)背襯層；五、去除熔射模得到梯度功能材料模具。
對(duì)上述步驟一所得到的熔射模進(jìn)行表面清潔或拋光處理，并預(yù)熱至100℃～400℃。
上述FGM工作層第一相選用能提高模具強(qiáng)度和硬度或耐蝕性能的具有性能優(yōu)異熔點(diǎn)高的陶瓷或耐磨金屬材料；第二相選用可以提高模具韌性以及作為后續(xù)背襯層的粘結(jié)相的金屬材料；由FGM工作層的表面向內(nèi)，第一相材料組分逐漸減少，而第二相材料組分逐漸增加。
上述第一相所指的陶瓷可以是W、Mo、Ti、Cr元素的碳化物和氮化物構(gòu)成，所指的金屬可以是鎳基自熔性合金粉末、不銹鋼粉末、鎳鉻合金粉末；上述第二相金屬可以是Ni、Cr、Al元素組成的金屬合金粉末，或是Ni、Cr、Al元素組成的金屬合金粉末添加B、Si、Y元素構(gòu)成的復(fù)合粉末。
上述步驟二中，F(xiàn)GM工作層采用等離子熔射制備。
上述步驟三中，在FGM工作層背面采用等離子熔射和電弧熔射復(fù)合方法制備過(guò)渡背襯層。
上述復(fù)合方法制備過(guò)渡背襯層是在上述步驟二中第一相材料組分減少至零時(shí)，電弧噴槍開始熔射，材料選用Cu、Al、Zn或它們之間的合金或偽合金；而等離子熔射繼續(xù)進(jìn)行，選用的材料為上述步驟二中的第二相，材料組分由FGM工作層背面向內(nèi)逐漸減少，直至為零為止，此時(shí)電弧噴槍仍然進(jìn)行熔射，直至所需厚度為止；在熔射過(guò)渡背襯層之前在FGM工作層背面鋪設(shè)形狀與型腔面共形的冷卻水管，復(fù)合熔射時(shí)將冷卻水管包覆其中。
上述步驟四中后續(xù)背襯層材料選用與過(guò)渡背襯層親和力強(qiáng)的低熔點(diǎn)金屬或它們之間的合金。
對(duì)模具表面質(zhì)量要求高的使用環(huán)境，上述步驟五所得的梯度功能材料模具工作面需要進(jìn)行拋光處理。
本發(fā)明梯度功能材料快速模具的制造方法，F(xiàn)GM工作層采用性能優(yōu)異的材料，內(nèi)部選用特殊功能的過(guò)渡性材料，外部采用一般性的材料，并在不同材料之間采用梯度化結(jié)構(gòu)使其達(dá)到連續(xù)漸變的連接，使不同材料得到了合理的應(yīng)用，以適應(yīng)在苛刻條件下模具性能的較好匹配，解決了以往快速模具材料成分分布突變且使用性能差和壽命低的問(wèn)題，達(dá)到了模具使用性能高、壽命長(zhǎng)，制造周期短、成本低的目的。本發(fā)明中，為了避免工作狀態(tài)下因材料性能的突變而產(chǎn)生的模具失效，采用了等離子與電弧復(fù)合熔射的方法使FGM工作層與過(guò)渡背襯層的界面結(jié)合處連續(xù)過(guò)渡產(chǎn)生梯度，有利于與后續(xù)背襯層的良好親和，這樣形成的快速模具既有整體模具的強(qiáng)度和剛度，又有獨(dú)具特色的工作層梯度，整體性能梯度，為模具的制造提供了一種快速、經(jīng)濟(jì)、高使用性能和高壽命的方法和手段，實(shí)現(xiàn)了梯度功能材料成形和模具深加工一體化。


圖1為本發(fā)明梯度功能材料快速模具制造方法的工藝流程示意圖。
圖2為本發(fā)明梯度功能材料模具斷面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明梯度功能材料模具FGM工作層斷面成分分布示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明梯度功能材料快速模具制造方法，如圖1所示，先制備熔射模，然后在熔射模上熔射FGM工作層，再在FGM工作層上熔射過(guò)渡背襯層，再在過(guò)渡背襯層上澆鑄后續(xù)背襯層，最后去除熔射模得到梯度功能材料模具。
熔射模的制作和選取是根據(jù)RP原型、實(shí)物樣件或加工原型的材料耐熱程度來(lái)決定的，如果RP原型或?qū)嵨飿蛹悄蜔岵牧?，可以直接作為熔射模，否則可以根據(jù)RP原型或?qū)嵨飿蛹苯臃苹蛘咄ㄟ^(guò)石膏模、硅膠模翻制成耐熱性熔射模。耐熱性熔射模材料可以選用粒度在240#～320#范圍內(nèi)的陶瓷粉末或熱導(dǎo)率高的金屬粉末以及兩者的混合粉末構(gòu)成。陶瓷粉末可以是莫萊石、鋯粉、石英粉以及鋁礬土，金屬粉末可以是銅粉、鐵粉、鋁粉和鋅粉。在熔射前熔射模需經(jīng)過(guò)表面清潔或拋光處理并預(yù)熱100℃～400℃。
FGM工作層采用陶瓷/金屬或金屬/金屬材料，第一相選用具有性能優(yōu)異熔點(diǎn)高的陶瓷或耐磨金屬材料，以提高模具的強(qiáng)度和硬度或耐蝕性能；第二相選用可以提高模具的韌性以及作為后續(xù)背襯層的粘結(jié)相。FGM工作層中第一相所指的陶瓷可以是W、Mo、Ti、Cr元素的碳化物和氮化物構(gòu)成，所指的金屬可以是鎳基自熔性合金粉末、不銹鋼粉末、鎳鉻合金粉末，第二相可以是Ni、Cr、Al元素組成的金屬合金粉末，或是Ni、Cr、Al元素組成的金屬合金粉末添加B、Si、Y元素構(gòu)成的復(fù)合粉末。由FGM工作層的表面向內(nèi)，第一相材料組分逐漸減少，而第二相材料組分逐漸增加。
等離子熔射FGM工作層的方法可以采用單噴槍單送粉通道或雙送粉通道實(shí)現(xiàn)，亦可以采用帶有各自送粉通道的雙噴槍熔射來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中單噴槍單送粉通道采用的一種方法是根據(jù)梯度設(shè)計(jì)要求逐次按不同比例將兩種粉末混合均勻并依次置入料斗經(jīng)熔射沉積獲得FGM工作層，另一種方法是精確計(jì)算并控制裝有不同粉末的兩個(gè)料斗的輸出量經(jīng)熔射沉積獲得FGM工作層；而單噴槍雙送粉通道可以精確控制不同通道的送粉率經(jīng)熔射沉積獲得FGM工作層；采用雙噴槍熔射是將兩種粉末分別由各自的噴槍單獨(dú)熔射并通過(guò)控制各自的輸入?yún)?shù)及送粉率同時(shí)熔射沉積獲得FGM工作層。
為了使FGM工作層與過(guò)渡背襯層在界面結(jié)合處連續(xù)過(guò)渡，避免工作狀態(tài)下因材料性能的突變而產(chǎn)生模具失效，在獲得的FGM工作層背面采用等離子與電弧復(fù)合熔射的方法制備過(guò)渡背襯層。在制備FGM工作層時(shí)，當(dāng)?shù)谝幌嗖牧蠝p少至零時(shí)，電弧噴槍開始熔射，考慮到高熱導(dǎo)率、高抗壓和抗彎等性能且易沉積厚涂層的需要，材料選用Cu、Al、Zn或它們之間的合金或偽合金；而等離子熔射繼續(xù)進(jìn)行，選用的材料為制備FGM工作層中的第二相，材料組分由FGM工作層背面向內(nèi)逐漸減少，直至為零時(shí)，此時(shí)電弧仍然進(jìn)行熔射，直至所需厚度為止。這樣制備的過(guò)渡背襯層有利于與后續(xù)背襯層的良好親和。當(dāng)模具需要低溫工作時(shí)，可以在熔射過(guò)渡背襯層之前設(shè)計(jì)和鋪設(shè)冷卻水管，然后進(jìn)行熔射將水管包覆其中，這樣可以使水管的鋪設(shè)形狀與型腔面共形(如圖2所示)，使得整體型腔冷卻速率均勻，減少了冷凝收縮不一致產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。
后續(xù)背襯層一般選用低熔點(diǎn)金屬或它們之間的合金，比如鋅基合金、巴氏合金等澆鑄成形，或選用樹脂添加熱導(dǎo)率較好的鐵、鋁或鋅等粉末進(jìn)行澆鑄成形，以提高整體模具的強(qiáng)度和剛度。
對(duì)模具表面質(zhì)量要求高的使用環(huán)境，梯度功能材料模具工作面需要進(jìn)行拋光處理。
本發(fā)明梯度功能材料快速模具，如圖2所示，由內(nèi)到外依次包括FGM工作層1、過(guò)渡背襯層2和后續(xù)背襯層3。
本發(fā)明梯度功能材料快速模具的制造方法，提供以下兩種實(shí)施方式實(shí)施例1本發(fā)明梯度功能材料快速模具的制造方法，由以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)用RP技術(shù)制作的樹脂鞋模翻制硅橡膠鞋模，稱取325#鋯粉1250克，270#鐵粉350克，膨潤(rùn)土50克，氧化鎂30克，將上述粉料充分混合后倒入已配制好的58％硅酸乙酯40水解液700毫升中制成漿料，迅速將制成的漿料倒入裝有硅橡膠鞋模的模框內(nèi)，固化后脫去?？蚝凸柘鹉z鞋模經(jīng)噴燒或焙燒后制得耐熱陶瓷熔射模。
(2)采用單噴槍雙送粉通道熔射技術(shù)，選用WC-12％Co粉末和NiCrAl粉末進(jìn)行材料梯度設(shè)計(jì)，在預(yù)熱300℃的陶瓷熔射模表面進(jìn)行熔射，由預(yù)先編制的程序分別控制兩個(gè)通道的送粉率實(shí)現(xiàn)兩種材料的輸送比例變化，其中，WC-12％Co粉末的輸送速度函數(shù)為k[1-v(t)]，而NiCrAl粉末的輸送速度函數(shù)為kv(t)，其中k為任意實(shí)數(shù)，t為熔射時(shí)間，v(t)為線性分布函數(shù)，0≤v(t)≤1，型腔面表層向內(nèi)WC-12％Co粉末組分從100％～0％變化，而NiCrAl粉末組分從0％～100％變化，最終形成FGM工作層的厚度為1.2mm。
(3)先在FGM工作層背面仿形鋪設(shè)如圖2所示用于冷卻的外徑5mm的銅管4，然后采用等離子與電弧復(fù)合同時(shí)進(jìn)行熔射，預(yù)熱溫度為300℃。等離子熔射選用的材料是NiCrAl粉末，送粉速度函數(shù)為k[1-v(t)]，參數(shù)含義同上述步驟(2)；電弧熔射選用的材料是ZnAl合金絲，送絲速度為3米/分鐘。隨著NiCrAl粉末送粉量的逐漸減少至零，等離子槍停止工作，而電弧噴槍繼續(xù)工作，最終靠電弧熔射實(shí)現(xiàn)過(guò)渡背襯層厚度8mm。
(4)在過(guò)渡背襯層的背面再用電弧熔射1.5mm的鋅基合金層，為后續(xù)背襯層提供一個(gè)親和性良好的熔射層表面，最后采用鋅基合金澆鑄，完成后續(xù)背襯層整體補(bǔ)強(qiáng)。
(5)經(jīng)破壞性脫模法去除陶瓷熔射模，將型腔表面拋光后得到梯度功能材料塑料注塑鞋模。
實(shí)施例2
本發(fā)明梯度功能材料快速模具的制造方法，由以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)用不銹鋼餐盒樣件表面涂脫模劑，四周設(shè)置?？?，然后將270#莫萊石粉2500克，氧化鎂50克充分混合后倒入已配制好的55％硅酸乙酯32水解液1000毫升中制成漿料，固化15分鐘后，脫去?？蚝蜆蛹?，得到陶瓷模，表面噴燒或焙燒后制得熔射模。
(2)將100％的不銹鋼，75％不銹鋼+25％鎳包鋁，50％不銹鋼+50％鎳包鋁，25％不銹鋼+75％鎳包鋁，100％的鎳包鋁，分別各自混合均勻，采用單噴槍單送粉通道熔射技術(shù)，用等離子熔射設(shè)備依次分層(從表層至內(nèi)層)熔射沉積形成FGM工作層(如圖3所示)，最終形成FGM工作層的厚度為2mm。
(3)FGM工作層制備完成后，馬上啟動(dòng)電弧熔射設(shè)備，電弧熔射選用的材料是ZnAl合金絲，送絲速度為3米/分鐘，此時(shí)步驟(2)的等離子熔射設(shè)備在不停機(jī)的狀態(tài)下繼續(xù)熔射，選用的材料是鎳包鋁粉末，送粉速度函數(shù)為k[1-v(t)]，參數(shù)含義同實(shí)施例1；隨著鎳包鋁粉末送粉量的逐漸減少至零，等離子噴槍停止工作，而電弧噴槍繼續(xù)工作，直至過(guò)渡背襯層厚度為6mm為止。
(4)將鐵粉、固化劑、環(huán)氧樹脂按重量比為5∶1∶3的比例混合進(jìn)行真空攪拌并澆注在過(guò)渡背襯層上形成后續(xù)背襯層，實(shí)現(xiàn)整體模具補(bǔ)強(qiáng)。
(5)經(jīng)破壞性脫模法去除陶瓷熔射模，將型腔表面拋光后得到梯度功能材料餐盒沖壓模具。
權(quán)利要求
1.梯度功能材料快速模具，包括工作層和背襯層；其特征在于上述工作層由成分和結(jié)構(gòu)連續(xù)變化的梯度功能材料構(gòu)成，背襯層材料亦呈梯度化的結(jié)構(gòu)。
2.梯度功能材料快速模具的制造方法，其特征在于由以下步驟實(shí)現(xiàn)一、制備熔射模；二、在熔射模上熔射FGM工作層；三、在FGM工作層上熔射過(guò)渡背襯層；四、在過(guò)渡背襯層上澆鑄后續(xù)背襯層；五、去除熔射模得到梯度功能材料模具。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的梯度功能材料快速模具的制造方法，其特征在于對(duì)上述步驟一所得到的熔射模進(jìn)行表面清潔或拋光處理，并預(yù)熱至100℃～400℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的梯度功能材料快速模具的制造方法，其特征在于上述FGM工作層第一相選用能提高模具強(qiáng)度和硬度或耐蝕性能的具有性能優(yōu)異熔點(diǎn)高的陶瓷或耐磨金屬材料；第二相選用可以提高模具韌性以及作為后續(xù)背襯層的粘結(jié)相的金屬材料；由FGM工作層的表面向內(nèi)，第一相材料組分逐漸減少，而第二相材料組分逐漸增加。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的梯度功能材料快速模具的制造方法，其特征在于上述第一相所指的陶瓷可以是W、Mo、Ti、Cr元素的碳化物和氮化物構(gòu)成，所指的金屬可以是鎳基自熔性合金粉末、不銹鋼粉末、鎳鉻合金粉末；上述第二相金屬可以是Ni、Cr、Al元素組成的金屬合金粉末，或是Ni、Cr、Al元素組成的金屬合金粉末添加B、Si、Y元素構(gòu)成的復(fù)合粉末。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的梯度功能材料快速模具的制造方法，其特征在于上述步驟二中，F(xiàn)GM工作層采用等離子熔射制備。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的梯度功能材料快速模具的制造方法，其特征在于上述步驟三中，在FGM工作層背面采用等離子熔射和電弧熔射復(fù)合方法制備過(guò)渡背襯層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的梯度功能材料快速模具的制造方法，其特征在于上述復(fù)合方法制備過(guò)渡背襯層是在上述步驟二中第一相材料組分減少至零時(shí)，電弧噴槍開始熔射，材料選用Cu、Al、Zn或它們之間的合金或偽合金；而等離子熔射繼續(xù)進(jìn)行，選用的材料為上述步驟二中的第二相，材料組分由FGM工作層背面向內(nèi)逐漸減少，直至為零為止，此時(shí)電弧仍然進(jìn)行熔射，直至所需厚度為止；在熔射過(guò)渡背襯層之前在FGM工作層背面鋪設(shè)形狀與型腔面共形的冷卻水管，復(fù)合熔射時(shí)將冷卻水管包覆其中。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的梯度功能材料快速模具的制造方法，其特征在于上述步驟四中后續(xù)背襯層材料選用與過(guò)渡背襯層親和力強(qiáng)的低熔點(diǎn)金屬或它們之間的合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述，對(duì)模具表面質(zhì)量要求高的使用環(huán)境，梯度功能材料模具工作面需要進(jìn)行拋光處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種梯度功能材料快速模具及其制造方法，此快速模具包括工作層和背襯層，且工作層由成分和結(jié)構(gòu)連續(xù)變化的梯度功能材料構(gòu)成，背襯層材料亦呈梯度化的結(jié)構(gòu)。其制造方法包括以下步驟制備熔射模、在熔射模上熔射FGM工作層、在FGM工作層上熔射過(guò)渡背襯層、在過(guò)渡背襯層上澆鑄后續(xù)背襯層、去除熔射模得到梯度功能材料模具。其工作層由成分和結(jié)構(gòu)連續(xù)變化的梯度功能材料構(gòu)成，背襯層材料亦呈梯度化的結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到連續(xù)漸變的連接，使不同材料得到合理使用，以適應(yīng)在苛刻條件下模具性能的較好匹配，解決了以往快速模具材料成分分布突變且使用性能差和壽命低的問(wèn)題。該模具使用性能高、壽命長(zhǎng)，制造周期短、成本低，且實(shí)現(xiàn)了梯度功能材料成形和模具深加工一體化。
文檔編號(hào)B22F3/115GK1663713SQ20041006604
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月10日
發(fā)明者方建成, 趙紫玉 申請(qǐng)人:華僑大學(xué)