一种铁基非晶及纳米晶合金的成型方法

摘要

本发明公开了一种铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，属于增材制造领域。采用微喷射粘结成型方法将铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末制备成坯体，然后烧结坯体获得制品。铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末中均匀混合有粘结剂。烧结采用的温度高于粘结剂的熔点5℃～10℃，同时低于铁基非晶粉末相变温度或纳米晶合金粉末相变温度。本发明方法能够用来制备大尺寸复杂形状块体铁基非晶及纳米晶合金制品。

权利要求

1.一种铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，其特征在于，采用微喷射粘结成型方法将铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末制备成坯体，然后烧结坯体获得制品，所述铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末是指均匀混合有粘结剂的铁基非晶粉末或均匀混合有粘结剂的纳米晶合金粉末，所述烧结采用的温度高于所述粘结剂的熔点5℃～10℃，同时低于铁基非晶粉末相变温度或纳米晶合金粉末相变温度，以使烧结后获得的制品仍然保持非晶形态组织或者是纳米晶形态组织。

2.如权利要求1所述的一种铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，其特征在于，所述微喷射粘结成型方法具体包括如下步骤：S1：首先，将铁基非晶粉末或者纳米晶合金粉末与粘结剂执行机械混合，接着再加入添加剂执行机械混合；或采用溶剂沉淀法将粘结剂覆膜在铁基非晶粉末或者纳米晶合金粉末表面，接着再加入添加剂执行机械混合；

获得铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末，

所述添加剂为聚乙二醇或液态卵磷脂；

S2：利用液态粘结液，采用微喷射粘结成型方法将铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末制备成厚度不大于0.3mm的薄层堆叠粘结而成的坯体。

3.如权利要求2所述的一种铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，其特征在于，所述铁基非晶粉末或纳米晶合金粉末的平均粒径为50μm～80μm。

4.如权利要求3所述的一种铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，其特征在于，步骤S2中，所述薄层的厚度为0.1mm～0.2mm。

5.如权利要求4所述的一种铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，其特征在于，步骤S1中，所述粘结剂为聚乙烯醇或麦芽糖糊精，所述粘结剂的质量为铁基非晶粉末质量或纳米晶合金粉末质量的2％～15％。

6.如权利要求5所述的一种铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，其特征在于，步骤S1中，所述添加剂质量为铁基非晶粉末质量或纳米晶合金粉末质量的0.1％～2％。

7.如权利要求6所述的一种铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，其特征在于，步骤S2中的所述液态粘结液包括的成分及各成分占液态粘结液总质量的百分比分别为：

0.5％～2.0％的聚乙二醇

1.0％～2.0％的聚乙烯吡咯烷酮

0.5％～2.0％的十六烷基三甲基溴化铵或者十二烷基苯磺酸钠余量的去离子水。

说明书

一种铁基非晶及纳米晶合金的成型方法

技术领域

[0001] 本发明属于增材制造领域，具体涉及一种铁基非晶及纳米晶合金的微喷射粘结成型方法。

背景技术

[0002] 微喷射粘结技术又称微滴喷射技术及三维喷印(Three-dimensional Printing)，是增材制造技术的一种。其利用计算机将零件的三维模型切片，将粉末铺成薄层，根据截面轮廓利用喷头的运动，将液滴选择性喷射在薄层上，通过液体与固体粉末的综合作用将选定的区域固化成形，重复上述过程，直至完成零件的成形。它采用离散、堆积成型的原理，借助计算机辅助设计与制造，在无需任何工装模具的情况下，将固体粉末材料直接成形为三维实体零件，不受成形件复杂程度的影响。具有成形速度快、成形材料类型广泛、设备成本及运行费用低等优点。

[0003] 铁基非晶及纳米晶合金具有高饱和磁感应强度、高导磁率、低损耗、及优异的温度稳定性，可用于变压器、放大器、扼流器、电感等领域，在功能材料和结构工程材料领域具有广泛的应用前景。

[0004] 在实际工程应用中，以薄带卷绕成磁芯时,由于卷绕空隙大,致密度低,且在层与层之间存在大量的空气,势必导致磁通密度的降低,漏磁大,显著降低了磁芯输出性能。而对于高性能、小型化的电机来说，磁芯材料不仅需要同时具有高饱和磁感应强度等优异软磁性能,而且还需要形状复杂的块体材料以满足获得特殊空间磁路分布的要求。铁基非晶及纳米晶合金块体材料的制备就显得尤为重要。

[0005] 现有的铁基非晶及纳米晶合金的成形方法主要有：惰性气体凝聚原位加压成形法、机械合金研磨(Mechanical Alloying)结合加压成块法、放电等离子烧结、铜模铸造法、大塑性变形技术、超高压成型。

[0006] 然而，目前上述方法制备获得的铁基非晶及纳米晶合金块体材料工艺复杂，形状单一难以制备出复杂形状的制品,这大大限制了铁基非晶及纳米晶合金的应用范围。因此,需要开发出新型的成型方法或者设备，以能制备大尺寸复杂形状的块体铁基非晶及纳米晶合金软磁材料。

发明内容

[0007] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铁基非晶及纳米晶合金的微喷射粘结成型方法，能够用来制备大尺寸复杂形状块体铁基非晶及纳米晶合金。

[0008] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，其特征在于，采用微喷射粘结成型方法将铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末制备成坯体，然后烧结坯体获得制品。

[0009] 所述铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末是指混合有粘结剂的铁基非晶粉末或混合有粘结剂的纳米晶合金粉末。

[0010] 以上发明构思中，粘结剂作用是帮助铁基非晶粉末或者纳米晶合金粉末成型。

[0011] 进一步的，所述微喷射粘结成型方法具体包括如下步骤：

[0012] S1：首先，将铁基非晶粉末或者纳米晶合金粉末与粘结剂执行机械混合，接着再加入添加剂执行机械混合；或

[0013] 采用溶剂沉淀法将粘结剂覆膜在铁基非晶粉末或者纳米晶合金粉末表面，接着再加入添加剂执行机械混合；

[0014] 获得铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末，

[0015] 所述添加剂为聚乙二醇或液态卵磷脂；

[0016] S2：利用液态粘结液，采用微喷射粘结成型方法将铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末制备成厚度不大于0.3mm的薄层堆叠粘结而成的坯体。

[0017] 以上发明构思中，步骤S2譬如可具体为：采用微喷射粘结设备将上述铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末在工作缸中铺设成薄层，并控制打印喷头运动根据计算机中的截面轮廓信息喷射液体粘结剂，打印完一层后工作缸下降一个层厚，重复上述过程，逐层累积直到完成整个零件的成形。粘结剂的作用是与液体粘结剂反应产生粘结作用，帮助成型坯体。添加剂作用是为成型过程中提供微弱的粘结力，防止铺粉时出现翘曲变形。

[0018] 进一步的，所述烧结采用的温度高于粉末中粘结剂的熔点5～10℃，同时低于铁基非晶粉末相变温度或纳米晶合金粉末相变温度，以使烧结后获得的制品仍然保持非晶组织或者是纳米晶组织。烧结是为了使粘结剂熔化再凝固从而使铁基非晶粉末或纳米晶合金粉末粘结更为充分。实际工程中，烧结过程可采用快速升温至烧结温度并保温1～4h并随炉冷却至室温出炉。

[0019] 进一步的，所述铁基非晶粉末或纳米晶合金粉末的平均粒径为50μm～80μm。铁基非晶粉末或纳米晶合金粉末的平均粒径优选为60μm～70μm，此时具有较好的流动性和可成形性。

[0020] 进一步的，步骤S2中，所述薄层的厚度优选为0.1mm～0.2mm。试验证明，薄层厚度在该范围内，成形制件具有较高的成形精度和强度。

[0021] 进一步的，步骤S1中，所述粘结剂为聚乙烯醇或麦芽糖糊精，所述粘结剂的质量为铁基非晶粉末质量或纳米晶合金粉末质量的2％～15％。进一步的优选的，所述粘结剂的质量为铁基非晶粉末质量或纳米晶合金粉末质量的6％～10％。

[0022] 进一步的，步骤S1中，所述添加剂质量为铁基非晶粉末质量或纳米晶合金粉末质量的0.1％～2％。进一步的优选的，所述添加剂质量为铁基非晶粉末质量或纳米晶合金粉末质量的0.8％～1.5％。

[0023] 进一步的，步骤S2中的所述液态粘结液为水基粘结液，根据喷头对液体的粘度、表面张力等参数的要求来配制，实际工程中，因为打印设备不一样，对粘结液的参数要求不同，譬如一种优选的液态粘结液包括的成分及各成分占总质量的百分比分别为：

[0024] 0.5％～2.0％的聚乙二醇

[0025] 1.0％～2.0％的聚乙烯吡咯烷酮

[0026] 0.5％～2.0％的十六烷基三甲基溴化铵或者十二烷基苯磺酸钠

[0027] 余量的去离子水。

[0028] 本发明中，将铁基非晶或纳米晶合金带材先粉粹制成粉末，利用微喷射粘结成型方法成型获得坯体，再将坯体进行烧结，通过控制烧结温度和时间，使得铁基非晶或纳米晶合金的组织结构不变，仍然为非晶形态或者是纳米晶形态，烧结只是使铁基非晶或则纳米晶合金颗粒间混合粉末粘结更牢固，从而获得一定的力学性能。本发明方法尤其适合制备复杂形状块体体积较大的功能性铁基非晶或者纳米晶合金制品。

[0029] 总体而言，由于采用了微喷射粘结技术来成形铁基非晶及纳米晶合金软磁材料，能够取得下列有益效果：

[0030] 1、采用微喷射粘结技术成型铁基非晶或者纳米晶合金，一方面，能够根据尺寸和形状的要求来成形铁基非晶及纳米晶合金块体，从而拓宽了铁基非晶及纳米晶合金应用范围；另一方面，微喷射粘结技术成形出的铁基非晶及纳米晶合金制件可直接用于工业需求，不需要进行机加工，保留铁基非晶及纳米晶合金粉末原始特性，不会因为成形工艺控制不当出现消磁等问题。

[0031] 2、相对于传统制备铁基非晶及纳米晶合金的工艺，微喷射粘结技术大大简化了成形工艺，可以实现复杂件的无模制造，能够高效率地制备了大尺寸及复杂形状的铁基非晶及纳米晶合金应用，在工业应用方面具有广阔的应用前景。

附图说明

[0032] 图1是本发明方法的具体的流程示意图。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0034] 本发明方法的核心为：采用微喷射粘结成型方法将铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末制备成坯体，然后烧结坯体获得制品。图1是本发明方法的具体流程示意图，由图可知，本发明方法具体可包括三大步骤，首先制备铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末，再采用微喷射粘结成型方法将铁基非晶混合粉末或纳米晶合金混合粉末制备成坯体，最后烧结坯体获得制品。

[0035] 实施例1

[0036] 本实施例中的铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，包括如下步骤：

[0037] S1：筛选出平均粒径为50μm～80μm的铁基非晶粉末500g，采用机械球磨的方法制备铁基非晶混合粉末。将铁基非晶粉末与10g聚乙烯醇在球磨机中机械混合6h，待混合均匀后，再加入0.5g聚乙二醇液体添加剂，接着继续在球磨机中执行混合，获得铁基非晶混合粉末。本实施例中，所述添加剂质量为铁基非晶粉末质量的0.1％。所述粘结剂的质量为铁基非晶粉末质量的2％。

[0038] S2：首先制备微喷射粘结用液体粘结液，将0.5g聚乙二醇，2g聚乙烯吡咯烷酮，0.5g十六烷基三甲基溴化铵以及97g去离子水加入容器中用玻璃棒搅拌混合均匀，即可获得微喷射粘结用的液体粘结液，其中，聚乙二醇与液体粘结液的总质量比为0.5:100，聚乙烯吡咯烷酮与液体粘结液总质量比为2:100，十六烷基三甲基溴化铵与液体粘结液总质量比为0.5:100，即本实施例中所述液态粘结液包括的成分及各成分占液态粘结液总质量比分别为：0.5％的聚乙二醇，2.0％的聚乙烯吡咯烷酮，0.5％的十六烷基三甲基溴化铵，余量为去离子水。

[0039] 微喷射粘结技术即为三维喷印或者称为3D打印，是增材制造技术的一种，需要利用计算机计算制品坯体的截面轮廓数据，根据计算机中的截面轮廓数据，将上述铁基非晶混合粉末铺成0.1mm厚薄层，利用微喷射粘结设备将液态粘结液喷射入混合粉末中，使铁基非晶颗粒相互粘结形成第一层。以同样的方操作在第一层上成形第二层，重复此过程直至整个零件完全成型。即本步骤中，利用液态粘结液，采用微喷射粘结成型方法将铁基非晶混合粉末制备成厚度为0.1mm的薄厚堆叠粘结而成的坯体。

[0040] S3：将成形后的零件清粉，然后对所述坯体执行烧结，所述烧结采用的温度高于粉末中粘结剂的熔点5℃～10℃，同时需低于铁基非晶粉末相变温度，以使烧结后获得的制品仍然保持非晶组织同时应略高于粉末中粘结剂的熔点，烧结过程采用快速升温至烧结温度并保温1h～4h并随炉冷却至室温出炉。具体到本实施中，烧结工艺为将清粉后的制件放入烘箱中快速升温至201℃并保温4h，随炉冷却到室温出炉。其烧结温度小于铁基非晶的相变温度，本实施例中，采用的铁基非晶粉末的相变温度在552.48℃，聚乙烯醇的熔点为196℃。

[0041] 实施例2

[0042] S1：筛选出平均粒径为60μm～70μm的粉末铁基纳米晶合金500g，采用机械球磨的方法制备纳米晶合金混合粉末，将纳米晶合金粉末与30g聚乙烯醇在球磨机中机械混合6.5h，待混合均匀后，再加入4.0g聚乙二醇液体添加剂，接着继续在球磨机中执行混合，获得纳米晶合金混合粉末。本实施例中，所述粘结剂质量为纳米晶合金粉末质量的6％。所述添加剂的质量为纳米晶合金粉末质量的0.8％。

[0043] S2：首先制备微喷射粘结用液体粘结液，将1.0g聚乙二醇，1.5g聚乙烯吡咯烷酮，1.0g十六烷基三甲基溴化铵以及96.5g去离子水加入容器中用玻璃棒搅拌混合均匀，即可获得微喷射粘结用的液体粘结液，其中，聚乙二醇与液体粘结液的总质量比为1.0:100，聚乙烯吡咯烷酮与液体粘结液总质量比为1.5:100，十六烷基三甲基溴化铵与液体粘结液总质量比为1.0:100，即本实施例中所述液态粘结液包括的成分及各成分占液态粘结液总质量比分别为：1％的聚乙二醇，1.5％的聚乙烯吡咯烷酮，1.0％的十六烷基三甲基溴化铵，余量为去离子水。

[0044] 微喷射粘结技术即为三维喷印或者称为3D打印，是增材制造技术的一种，需要利用计算机计算制品坯体的截面轮廓数据，根据计算机中的截面轮廓数据，将上述纳米晶合金混合粉末铺成0.18mm厚薄层，利用微喷射粘结设备将液态粘结液喷射入混合粉末中，使纳米晶合金颗粒相互粘结形成第一层。以同样的方操作在第一层上成形第二层，重复此过程直至整个零件完全成型。即本步骤中，利用液态粘结液，采用微喷射粘结成型方法将纳米晶合金混合粉末制备成厚度为0.18mm的薄厚堆叠粘结而成的坯体。

[0045] S3：将成形后的零件清粉，然后对所述坯体执行烧结，所述烧结采用的温度高于粉末中粘结剂的熔点5℃～10℃，同时需低于铁基纳米晶晶粉末相变温度，以使烧结后获得的制品仍然保持是纳米晶组织，同时应略高于粉末中粘结剂的熔点，烧结过程采用快速升温至烧结温度并保温1h～4h并随炉冷却至室温出炉。具体到本实施中，烧结工艺为将清粉后的制件放入烘箱中快速升温至202℃并保温3h，随炉冷却到室温出炉。其烧结温度小于铁基非晶的相变温度，本实施例中，采用的铁基非晶粉末的相变温度在508.2℃，聚乙烯醇的熔点为196℃。

[0046] 实施例3

[0047] 本实施例中的铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，包括如下步骤：

[0048] S1：筛选出平均粒径为50μm～80μm的铁基非晶粉末500g采用溶剂沉淀方法制备铁基非晶粉末，将50g麦芽糖糊精通过溶剂沉淀法覆膜在铁基非晶粉末表面，待混合均匀后，再加入7.5g聚乙二醇液体添加剂，接着继续在球磨机中执行混合，获得铁基非晶混合粉末。本实施例中，所述添加剂质量为铁基非晶粉末质量的1.5％。所述粘结剂的质量为铁基非晶粉末质量质量的10％。

[0049] S2：首先制备微喷射粘结用液体粘结液，将1.5g聚乙二醇，1.2g聚乙烯吡咯烷酮，1.5g十六烷基三甲基溴化铵以及95.8g去离子水加入容器中用玻璃棒搅拌混合均匀，即可获得微喷射粘结用的液体粘结液，其中，聚乙二醇与液体粘结液的总质量比为1.5:100，聚乙烯吡咯烷酮与液体粘结液总质量比为1.2:100，十六烷基三甲基溴化铵与液体粘结液总质量比为1.5:100，即本实施例中所述液态粘结液包括的成分及各成分占液态粘结液总质量比分别为：1.5％的聚乙二醇，1.2％的聚乙烯吡咯烷酮，1.5％的十六烷基三甲基溴化铵，余量为去离子水。

[0050] 微喷射粘结技术即为三维喷印或者称为3D打印，是增材制造技术的一种，需要利用计算机计算制品坯体的截面轮廓数据，根据计算机中的截面轮廓数据，将上述铁基非晶混合粉末铺成0.2mm厚薄层，利用微喷射粘结设备将液态粘结液喷射入混合粉末中，使铁基非晶颗粒相互粘结形成第一层。以同样的方操作在第一层上成形第二层，重复此过程直至整个零件完全成型。即本步骤中，利用液态粘结液，采用微喷射粘结成型方法将铁基非晶混合粉末制备成厚度为0.2mm的薄厚堆叠粘结而成的坯体。

[0051] S3：将成形后的零件清粉，然后对所述坯体执行烧结，所述烧结采用的温度高于粉末中粘结剂的熔点5℃～10℃，同时需低于铁基非晶粉末相变温度，以使烧结后获得的制品仍然保持非晶组织同时应略高于粉末中粘结剂的熔点，烧结过程采用快速升温至烧结温度并保温1h～4h并随炉冷却至室温出炉。具体到本实施中，烧结工艺为将清粉后的制件放入烘箱中快速升温至204℃并保温2h，随炉冷却到室温出炉。其烧结温度小于铁基非晶的相变温度，本实施例中，采用的铁基非晶粉末的相变温度在552.48℃，麦芽糖糊精的熔点为240℃。

[0052] 实施例4

[0053] 本实施例中的铁基非晶及纳米晶合金的成型方法，包括如下步骤：

[0054] S1：筛选出平均粒径为60μm～70μm的铁基纳米晶粉末500g，采用溶剂沉淀方法制备铁基纳米晶粉末，将75g聚乙烯醇通过溶剂沉淀法覆膜在铁基非晶粉末表面，，待混合均匀后，再加入10g聚乙二醇液体添加剂，接着继续在球磨机中执行混合，获得铁基非晶混合粉末。本实施例中，所述添加剂质量为铁基非晶粉末质量的2％。所述粘结剂的质量为铁基纳米晶合金粉末质量的15％。

[0055] S2：首先制备微喷射粘结用液体粘结液，将2g聚乙二醇，1g聚乙烯吡咯烷酮，2g十二烷基苯磺酸钠以及95g去离子水加入容器中用玻璃棒搅拌混合均匀，即可获得微喷射粘结用的液体粘结液，其中，聚乙二醇与液体粘结液的总质量比为2:100，聚乙烯吡咯烷酮与液体粘结液总质量比为1:100，十二烷基苯磺酸钠与液体粘结液总质量比为2:100，即本实施例中所述液态粘结液包括的成分及各成分占液态粘结液总质量比分别为：2％的聚乙二醇，1％的聚乙烯吡咯烷酮，2.0％的十二烷基苯磺酸钠，余量为去离子水。

[0056] 微喷射粘结技术即为三维喷印或者称为3D打印，是增材制造技术的一种，需要利用计算机计算制品坯体的截面轮廓数据，根据计算机中的截面轮廓数据，将上述铁基非晶混合粉末铺成0.29mm厚薄层，利用微喷射粘结设备将液态粘结液喷射入混合粉末中，使铁基纳米晶颗粒相互粘结形成第一层。以同样的方操作在第一层上成形第二层，重复此过程直至整个零件完全成型。即本步骤中，利用液态粘结液，采用微喷射粘结成型方法将铁基纳米晶混合粉末制备成厚度为0.29mm的薄厚堆叠粘结而成的坯体。

[0057] S3：将成形后的零件清粉，然后对所述坯体执行烧结，所述烧结采用的温度高于粉末中粘结剂的熔点5℃～10℃，同时需低于铁基纳米晶晶粉末相变温度，以使烧结后获得的制品仍然保持是纳米晶组织，同时应略高于粉末中粘结剂的熔点，烧结过程采用快速升温至烧结温度并保温1～4h并随炉冷却至室温出炉。具体到本实施中，烧结工艺为将清粉后的制件放入烘箱中快速升温至206℃并保温1h,随炉冷却到室温出炉。其烧结温度小于铁基非晶的相变温度，本实施例中，采用的铁基非晶粉末的相变温度在508.2℃，聚乙烯醇的熔点为196℃。

[0058] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。