L'impression 3D en gel (3DGP) est une nouvelle technologie de fabrication qui construit des composants 3D en déposant et en gélifiant des boues métalliques couche par couche. Ici, une suspension à base de méthacrylate d'hydroxyéthyle (HEMA) ayant une charge solide de 47-56 vol% WC-20Co a été directement formée par 3DGP puis frittée dans une étuve à vide. Les suspensions WC-20Co présentent un comportement d'éclaircissement et de cisaillement approprié, ce qui est avantageux pour le processus de formage 3DGP. Les effets des paramètres de traitement 3DGP (tels que le diamètre intérieur d'impression et le taux de remplissage) sur la rugosité de surface et la précision dimensionnelle des blancs d'impression ont été étudiés. Les effets de la charge solide sur les propriétés rhéologiques, la densité de frittage, la densité de frittage et les propriétés mécaniques de la suspension WC-20Co ont été étudiés. Les résultats montrent que l'échantillon peut être imprimé avec une bonne forme, avec une précision appropriée et une microstructure uniforme. Les échantillons frittés ont une bonne rétention de forme et une microstructure uniforme. La meilleure densité d'échantillon, la dureté et la résistance à la rupture transversale étaient de 13,55 g / cm3, HRA 87,7 et 2612,8 MPa, respectivement. 3DGP présente des avantages uniques dans la mise en forme proche du filet des éléments WC-20Co de forme complexe. 1. Introduction Le carbure cémenté WC-Co est constitué de particules de WC dures incorporées dans une matrice continue de Co et est l'un des composites à matrice métallique les plus importants. Ils sont maintenant largement utilisés comme outils de forage et de coupe, matrices d'estampage, pièces d'usure et autres pièces spéciales. En raison de l'infusibilité des particules de WC, les carbures cémentés sont généralement produits en utilisant le procédé de métallurgie des poudres (PM) dans lequel se produit le frittage en phase liquide des poudres de WC-Co. La complexité de la forme du produit est fortement limitée par la structure de la filière. De plus, en raison des propriétés de dureté et de ténacité élevées des métaux-durs WC-Co, il est difficile de traiter les métaux-durs WC-Co. L'utilisation de méthodes traditionnelles pour préparer des pièces en carbure de forme complexe est un énorme défi.Ces dernières années, la technologie de fabrication additive (AM) adaptée à la fabrication de formes quasi-nettes et de pièces complexes a été développée et appliquée à la production de plusieurs matériaux métalliques tels que comme acier inoxydable, titane, alliages de titane et alliages d'aluminium (SLM). Le frittage laser direct (DMLS), la fusion par faisceau d'électrons (EBM), etc. sont des technologies typiques et courantes. La formation de réseaux d'ingénierie laser (LENS) peut produire des formes complexes et des pièces presque complètement denses. Dans ces processus AM, la poudre de métal est sélectivement stratifiée par un faisceau laser / électron couche par couche jusqu'à ce que les pièces soient construites. Cependant, il existe peu d'études sur la fabrication additive de métaux-durs WC-Co. Premièrement, le carbure cémenté WC-Co est constitué de particules de WC et d'un matériau de matrice Co, et les points de fusion des deux matériaux sont très différents. Lorsque la poudre de WC-Co est chauffée au point de fusion de Co, les particules de WC restent à l'état solide; la poudre est encore chauffée et Co commence à s'évaporer. Une fusion partielle réduira la densité du produit. Pour résoudre ce problème, certains chercheurs ont tenté d'ajouter des liants, tels que des métaux à bas point de fusion. Gu et al. La poudre de Cu et la poudre WC-10Co ont été mélangées à un rapport pondéral de 60:40, et des échantillons de 50 mm × 10 mm × 9 mm ont été fabriqués en utilisant du DMLS. En raison de la grande quantité de Cu, la densité relative de cet échantillon a atteint 94,3%. Deuxièmement, ces technologies de fusion sur lit de poudre ont certaines exigences pour la poudre utilisée. Dans les processus SLM et EBM, les poudres métalliques se propagent à travers les rouleaux, tandis que le DMLS et le LENS sont généralement équipés d'un système d'alimentation de poudre synchrone. Afin d'obtenir une couche de poudre uniforme et mince, les deux types d'alimentation en poudre nécessitent une poudre fine et une poudre sphérique avec une bonne coulabilité. La poudre WC-Co de forme irrégulière commercialement ne répond pas à ces exigences. De plus, le chauffage et le refroidissement laser / faisceau d'électrons (c'est-à-dire le processus de frittage) sont très rapides. Seules quelques particules de WC peuvent se dissoudre dans la phase liquide. Un frittage incomplet peut réduire les performances du produit. Enfin, les techniques ci-dessus nécessitent des systèmes de protection contre le vide élevé ou contre les gaz inertes, qui sont coûteux et impliquent la décarburation et l'évaporation du cobalt. Bear et al. ont constaté qu'il n'y avait pas suffisamment de carbone libre dans la matière première en poudre pour compenser la perte de carbone qui s'est produite pendant le processus LENS. Bien que les techniques ci-dessus puissent produire de nombreuses pièces complexes, elles peuvent ne pas convenir à la production de métaux-durs WC-Co. Afin de résoudre les limites des méthodes conventionnelles et les problèmes de la technologie AM susmentionnée dans la production de métaux-durs WC-Co, un nouveau procédé AM appelé 3D Gel Printing (3DGP) a été proposé. 3DGP combine le moulage par injection de gel avec le modèle de dépôt fondu (FDM) et a la capacité de convertir des modèles 3D en solides 3D. La figure 1 (a) montre notre dispositif 3DGP conçu. La figure 1 (b) montre une vue agrandie du système d'extrusion et de dépôt du dispositif. Tout d'abord, le modèle 3D conçu est découpé en une série de tranches 2D. La suspension en poudre dans la solution de monomère organique est ensuite utilisée comme "encre" et transportée vers l'extrudeuse à vis de l'équipement 3D GP sous la pression spécifique de l'air comprimé. En même temps, l'initiateur et le catalyseur sont délivrés à la même extrudeuse à vis en proportion. Les matériaux sont soigneusement mélangés et extrudés à travers une buse, puis déposés sur une plate-forme d'impression. Après une courte période de temps, les monomères organiques sont réticulés et la poudre solide est maintenue en place par un polymère réticulé tridimensionnel. De cette manière, la suspension est déposée sélectivement couche par couche, ce qui est cohérent avec chaque tranche 2D préconstruite du modèle 3D. Enfin, un corps vert à structure tridimensionnelle est obtenu. Afin d'éviter l'effondrement du vert pendant le processus d'impression, la plate-forme d'impression reste immobile et la tête d'impression du périphérique 3DGP peut se déplacer le long des axes X, Y et Z, ce qui est différent du périphérique FDM conventionnel. Semblable aux appareils FDM traditionnels, le nouvel appareil présente les avantages d'un moulage flexible, d'une structure simple et d'un contrôle précis. Après séchage, le corps vert est dégraissé et fritté dans un four sous vide ou atmosphérique.Figure 1 Schéma du 3DGP: (a) Appareil d'impression sur gel 3D, (b) vue agrandie du système d'extrusion et de dépôt, (c) filaments de suspension et (d) dépôt des filaments de sericine.Le moulage au gel a été utilisé pour produire divers matériaux métalliques et céramiques, tels que WC-8 wt%Co, acier inoxydable 17-4PH, alliage haute température, Al2O3, Si3N4, SiC, etc. Cela prouve qu'une variété de poudres de matériaux peuvent être dispersées et suspendues de manière stable dans la solution de monomère organique, ce qui signifie que le 3DGP a un grand potentiel pour former de nombreux matériaux, notamment des métaux, des alliages métalliques, des composites à matrice métallique et des céramiques. La demande actuelle de pièces complexes en carbure est en constante augmentation. WC-20Co est un carbure cémenté typique. Dans cette étude, la suspension WC-20Co a été utilisée comme encre imprimable, et la fabrication additive du composant WC-20Co a été étudiée par 3DGP. Le but est de fabriquer des pièces mécaniques à haute densité et à haute densité de pièces composites WC-20Co, et d'étudier la faisabilité et la praticité du 3DGP dans la mise en forme proche du filet des pièces en alliage dur WC-Co. Préparation 2.1. Préparation de suspension WC-20Co Une poudre WC commerciale ayant un diamètre moyen de particules de 2,7 μm et une poudre de Co ayant un diamètre moyen de particules de 46,5 μm ont été utilisées dans ce travail. Les figures 2 (a) et (b) montrent respectivement l'apparence de la poudre WC et de la poudre Co. Ces matières premières ont été mélangées en utilisant un mélange de broyage à boulets ayant un rapport pondéral WC / Co de 80:20 et une bille de carbure cémenté mélangée à une poudre WC-20Co dans un rapport pondéral de 5: 1. La figure 2 (c) montre la poudre composite WC-20Co après broyage pendant 24 heures. 2 La morphologie du matériau en poudre: (a) poudre WC, (b) poudre Co et (c) poudre composite WC-20Co. Pour éviter l'oxydation du cobalt, des systèmes sans hydrogel ont été conçus. Le toluène et le méthacrylate d'hydroxyéthyle (CH2 = C (CH3) COOCH2CH2OH, HEMA) ont été choisis comme solvants et monomères organiques. Le tableau 1 répertorie les systèmes de gel utilisés pour les suspensions WC-20Co. Tableau 1. Système de réactifs chimiques pour les suspensions WC-20Co. Peroxyde de benzoyle (BPO) Diméthylaniline (TEMED) Les réactifs utilisés dans l'expérience étaient tous analytiquement purs. D'abord, HEMA (monomère) et N, N'-méthylène-bisacrylamide (réticulant) ont été mélangés à un rapport pondéral de 80: 1 et puis dissous dans du toluène à une concentration de 50% en volume d'HEMA pour préparer un prétraitement. mélange. Ensuite, des suspensions avec différentes charges solides ont été préparées en dispersant la poudre WC-20Co dans la solution prémélangée. Le dispersant Solsperse-6000 (ICI Co. USA, non toxique) a été ajouté simultanément dans une certaine proportion. Ces suspensions de WC-20Co ont ensuite été broyées à billes pendant 2 heures pour obtenir une suspension uniforme. Processus d'impression sur gel 3D La suspension WC-20Co ci-dessus a été livrée à un appareil 3D GP sous une pression appropriée. Trois buses avec des diamètres intérieurs de 0,5, 0,6 et 0,7 mm sont utilisées ici. Le tableau 2 répertorie les conditions d'impression du processus 3DGP. Sur la base de ces paramètres d'impression, en prenant un coupe-biseau comme exemple, certains échantillons rectangulaires ont été préparés et analysés pour déterminer la précision et l'état de surface du 3DGP. Après le processus d'impression en gel 3D, les corps verts ont été séchés dans une étuve à vide à 60 ° C pendant 8 heures. Le corps vert séché a été dégraissé à 700 ° C pendant 1 heure et enfin fritté dans un four à tube de carbone sous vide (vide <2 Pa) à 1360 ° C pendant 1 heure. Tableau 2. Conditions d'impression pour 3DGP. Conditions d'impression numérotées Diamètre de la buse vitesse d'impression épaisse1 0,50 mm 0,35 mm 28 mm / s2 0,60 mm 0,45 mm 28 mm / s3 0,70 mm 0,55 mm 28 mm / s2,3. La viscosité de la suspension WC-20Co a été testée à l'aide d'un viscosimètre rotatif NDJ-79 à 25 ° C. L'analyse thermogravimétrique (TGA) et l'analyse thermique différentielle (DTA) ont été utilisées pour étudier la cinétique de perte de poids thermique et de décomposition des liants organiques lorsque la vitesse de chauffage était de 10 ° C / min sous un flux d'argon de haute pureté. Le principe d'Archimède a été utilisé pour mesurer la densité verte et la densité frittée. Le microscope confocal à balayage laser a été utilisé pour observer la rugosité de surface, l'apparence et la morphologie en coupe du corps vert 3DGP. L'apparition de la poudre WC-20Co et la microstructure des échantillons verts et frittés ont été observées par microscopie électronique à balayage. La dureté des échantillons frittés a été testée en utilisant un testeur de dureté Rockwell avec un cône en diamant et une charge de 60 kg. Le test de flexion des échantillons frittés coupés en 5 mm x 5 mm x 35 mm a été effectué par une machine d'essai universelle électronique à une vitesse de chargement de 10 mm / min. Chaque ensemble de données déclarées est basé sur des attributs obtenus de 3 à 5 échantillons. Résultats et discussion 3.1. Comportement rhéologique et processus de gélification de la suspension WC-20Co La qualité de la suspension dépend de deux facteurs clés: la charge solide et la viscosité. figure. 3 montre l'effet du chargement solide sur la viscosité de la suspension WC-20Co à un taux de cisaillement de 20 s -1. La viscosité de la suspension augmente avec la charge solide. Contrairement aux exigences de viscosité du moulage par injection de gel (généralement <1 Pa · s), une viscosité plus élevée (ce qui signifie une teneur en solides plus élevée) peut être utilisée dans le processus 3DGP. La pâte 3DGP n'a pas besoin d'être remplie d'un moule, mais doit seulement avoir un certain degré de fluidité (généralement <3 Pa · s) pour pouvoir être extrudée à travers la buse. Cependant, une viscosité excessive peut gêner l'extrusion de la pâte WC-20Co. Par exemple, une suspension avec une teneur en solides de 59 vol% est trop visqueuse pour être extrudée. Dans cette étude, quatre boues WC-20Co à charge solide différentes ont été directement imprimées par 3DGP: 47, 50, 53 et 56 vol%.Figure 3. Effet de la charge solide sur la viscosité de la pâte WC-20Co. La suspension 20Co présente des propriétés de fluide pseudoplastique. Comme le montre la figure 4, à mesure que le taux de cisaillement augmente, la viscosité de la suspension WC-20Co diminue considérablement, indiquant un comportement d'amincissement par cisaillement. Cela indique que la suspension WC-20Co peut s'écouler à des taux de cisaillement élevés provoqués par la pression de l'air et l'agitation, et peut être extrudé à une pression spécifique à travers une buse de petit diamètre. Une fois la suspension épaisse extrudée et la force de cisaillement disparue, les filaments de suspension épaisse conservent leur forme plutôt que de s'étaler pendant une courte période d'inactivité avant la solidification. Cette caractéristique d'amincissement par cisaillement est très favorable pour l'extrusion et le dépôt de suspensions WC-20Co dans le procédé 3DGP.Figure 4. Relation entre la viscosité apparente et le taux de cisaillement pour les suspensions WC-20Co.Il y a un temps d'inactivité entre l'ajout du catalyseur diméthylaniline (TEMED) et l'amorceur peroxyde de benzoyle (BPO) et le début de la gélification (polymérisation réticulée). L'optimisation du temps libre est un point clé de 3DGP. Dans le temps d'inactivité correct, la vis du système d'extrusion peut fortement agiter la suspension WC-20Co, le catalyseur et l'initiateur, et garantir que la polymérisation réticulée du monomère HEMA se produit rapidement après l'extrusion et le dépôt de la suspension. Avant d'imprimer la couche suivante, la couche précédente de suspension doit avoir une résistance suffisante pour que le corps vert puisse conserver sa forme et résister à son propre poids. La polymérisation réticulée de HEMA est une réaction exothermique, donc des instruments personnalisés avec un thermomètre sont utilisés pour aider à déterminer le temps d'inactivité. Dans nos travaux précédents, nous avons constaté un impact significatif sur la vitesse de réaction du catalyseur TEMED, la concentration TEMED était de 10 mmol / L une réaction de réticulation se produit lorsque la stabilité. Contrairement à l'effet remarquable du catalyseur, il est plus pratique d'optimiser le temps de repos et la vitesse de polymérisation en ajustant la concentration de l'initiateur. Une fois ajouté à la suspension WC-20Co, l'initiateur BPO se décompose en radicaux libres, initiant avec succès la réaction de polymérisation. La figure 5 montre l'effet de la concentration de l'initiateur sur le temps mort d'une suspension de WC-20Co avec une teneur en solides de 56% en volume. Les résultats montrent que la gélification de la suspension WC-20Co est contrôlable. Le temps d'inactivité diminue avec l'augmentation de la concentration de l'initiateur. Lorsque la concentration de l'initiateur est de 40 mmol / L, le temps d'inactivité est> 20 min. Cependant, à mesure que la concentration de l'initiateur augmentait à 70 mmol / L, le temps d'inactivité diminuait à environ 5 minutes. Lorsque la concentration dépasse 100 mmol / L, la durée minimale de ralenti de l'impact. Des schémas similaires s'appliquent aux suspensions avec une teneur en solides différente. Selon les résultats d'expériences répétées présenté l'initiateur (90 mmol / L) du dosage optimal. Pendant cette période de déchargement optimale (environ 2 minutes), la suspension WC-20Co a été mélangée avec une certaine quantité de catalyseur et d'amorceur dans une extrudeuse à vis, puis extrudée à travers une buse et finalement durcie en 20 secondes. 5 Effet de la concentration de l'initiateur sur le temps de vidange de la suspension WC-20Co 3.2. Caractérisation du corps vert La suspension WC-20Co a été extrudée à travers une buse conventionnelle et en raison de l'effet Barus (expansion extrudée), le diamètre du filament de suspension était légèrement plus grand que le diamètre intérieur de la buse. Comme le montre la figure 1 (c), après le dépôt du filament de suspension sur la plate-forme d'impression, sa propre gravité, ses propriétés rhéologiques et son léger contact avec la buse deviendront semi-elliptiques, comme le montre la figure 1 (c). En contrôlant le temps d'inactivité, la pâte d'impression peut être durcie rapidement et suffisamment résistante avant l'extrusion de la couche suivante. La figure 1 (d) est un schéma du processus de dépôt 3DGP. Les filaments de suspension WC-20Co sont empilés en croix et la couche suivante remplira l'espace vide de la couche précédente. En raison de l'effet Barus susmentionné, il est nécessaire de choisir le bon taux de remplissage. L'effet du taux de remplissage est illustré à la figure 6. Trois échantillons de taux de remplissage différents ont été imprimés avec une buse de 0,7 mm et une pâte WC-20Co avec des solides de 56 vol%. Lorsque le taux de remplissage est de 100%, la suspension WC-20Co s'accumulera, se déformera, puis endommagera la forme du produit. D'autre part, comme le montre la structure en treillis représentée sur la Fig. 6 (a), le faible taux de remplissage se traduit par une faible densité du corps vert. Avec un taux de remplissage de 92%, le corps vert s'est bien formé. Le taux de remplissage approprié est sélectionné en fonction des propriétés rhéologiques de la suspension et de la taille de la buse Figure 6 Échantillons verts avec différents taux de remplissage: (a) 84%, (b) 92% et (c) 100%. Le diamètre intérieur de la buse affecte la l'épaisseur de la couche déposée et détermine finalement la rugosité de surface et la précision dimensionnelle du corps vert. Pour illustrer cela, plusieurs échantillons ont été réalisés par 3DGP en utilisant des buses de diamètre différent et une suspension WC-20Co avec une charge de solides de 56 vol%. L'épaisseur de leur couche, la rugosité de surface, la forme et la taille ont été mesurées pour calculer la précision de formation du 3DGP. L'épaisseur de couche et la rugosité de surface des échantillons imprimés ont été étudiées par microscopie confocale à balayage laser. figure. 7 est une vue latérale d'un corps vert obtenu par 3DGP en utilisant trois buses avec des diamètres intérieurs de 0,5, 0,6 et 0,7 mm. Cela indique que les filaments de suspension gardent leur forme et durcissent dans le temps, avec une bonne liaison entre les couches. Le tableau 3 montre l'épaisseur de couche, la rugosité de surface et les dimensions du corps vert imprimé. Les résultats des épaisseurs de couche mesurées (0,355 mm, 0,447 mm et 0,552 mm, respectivement) sont cohérents avec les paramètres du 3DGP indiqués dans le tableau 2. Lorsque le diamètre de la buse augmente, la rugosité de la surface de l'échantillon imprimé augmente. Lorsqu'un échantillon parallélépipédique rectangulaire a été imprimé à l'aide d'une buse d'un diamètre intérieur de 0,5 mm, une rugosité de surface (Ra) de 8,13 ± 0,6 μm a été obtenue. Lorsque le diamètre intérieur de la buse a été augmenté à 0,7 mm, l'échantillon avait une rugosité de surface (Ra) pouvant atteindre 19,98 ± 0,9 μm. Comme le montre le tableau 3, tous ces flans imprimés sont légèrement plus grands que le modèle tridimensionnel, mais sont légèrement plus petits pendant le processus de séchage et sont donc plus proches du modèle. La figure 8 montre un échantillon rectangulaire séché imprimé à l'aide d'une buse de 0,5 mm et d'une suspension WC-20Co avec une charge de solides de 56 vol%. Comme le montre la figure 8 (b), la surface de l'échantillon 3DGP-bulit n'avait pas de pores, éclats et défauts de gauchissement évidents. Les marques d'impression de ligne sont toujours visibles sur la surface de l'échantillon cuboïde. Les résultats montrent que le dispositif 3DGP a une bonne capacité de formage et l'utilisation de buses fines pour préparer des échantillons se traduit par une rugosité de surface plus faible et une précision dimensionnelle plus élevée. La figure 8 (e) montre une coupe transversale d'un échantillon sec vert à faible grossissement. Il n'y a pas d'interface entre la couche d'impression et les lignes à l'intérieur de l'échantillon vert. Bien que la pâte WC-Co soit imprimée couche par couche, les propriétés de mouillage et d'étalement de la pâte sont bonnes et le taux de remplissage est approprié, de sorte que le fil et la couche ont une excellente adhérence. De plus, la polymérisation réticulée de HEMA se produit toujours à ces interfaces pendant les étapes d'impression et de séchage et la liaison étanche des fils et des couches. A partir de l'image SEM (Fig. 8 (f)), on peut voir que l'échantillon vert a une microstructure uniforme et que les particules de WC-Co sont uniformément réparties. De plus, les particules sont étroitement recouvertes par le gel polymère et fixées en place.Figure 7: Aspect de la surface latérale et épaisseur de la couche des corps verts des différentes buses formées par 3DGP: buse de 0,5 mm, (b) buse de 0,6 mm et (c) Buse de 0,7 mm. Tableau 3. Épaisseur de couche, rugosité de surface et dimensions des corps verts imprimés et dimensions des corps verts séchés. (Le modèle 3D mesure 40 mm × 20 mm × 20 mm.) Fig. 8. L'échantillon cuboïde imprimé par 3DGP à l'aide d'une buse de 0,5 mm et d'une suspension WC-20Co avec une charge solide de 56 vol%: (a) modèle tridimensionnel, (b) corps vert séché, (c) échantillon fritté, (e) croix section du corps vert séché sous un faible grossissement et (f) microstructures du corps vert séché.La charge solide affecte la densité du corps vert. Comme le montre la FIG. 9, lorsqu'une buse appropriée est sélectionnée et qu'un taux de remplissage approprié est sélectionné, la densité verte augmente à mesure que la charge solide de la suspension augmente. À une charge en solides de 56 vol%, la densité verte était de 7,85 g / cm3. L'utilisation de boues à haute teneur en solides facilite la production de compacts verts à haute densité et réduit le retrait pendant le séchage et le frittage, ce qui facilite l'obtention de pièces frittées homogènes et très précises à haute densité. Dans la prémisse d'une viscosité raisonnable, il est nécessaire d'augmenter la charge solide autant que possible.Figure 9. Densité verte et densité frittée d'échantillons GP 3D avec différentes charges solides WC-20Co.3.3. Échantillon fritté Le procédé 3DGP est basé sur la polymérisation in situ de liants monomères organiques et de FDM. Avant le frittage, le gel polymère vert (liant organique) doit se décomposer et brûler. Pour étudier la cinétique de décomposition thermique des liants organiques, des échantillons verts imprimés à l'aide d'une suspension WC-20Co à une charge en solides de 56 vol% ont été testés par TG et DTA dans une atmosphère d'argon fluide à une vitesse de chauffage de 10 ° C / min. . Comme le montre la figure 10, l'échantillon vert est endothermique en raison de l'évaporation du toluène et devient plus léger à basses températures (<100 ° C). La courbe DTA montre une forte exothermie à environ 450 ° C. Correspondant au pic exothermique, le corps vert montre une perte de poids importante entre 300 ° C et 500 ° C. Lorsqu'il a été chauffé à 600 ° C, l'échantillon vert a perdu 3,08 wt%. Par calcul, la teneur organique de l'échantillon vert séché était de 3,02% en poids. Lorsque la température est supérieure à 600 ° C, le poids du corps vert ne change pratiquement pas. Les résultats montrent que le gel de polymère vert a complètement brûlé après chauffage à environ 600 ° C. En raison de la faible teneur en liants organiques, les échantillons verts imprimés en 3DGP ne nécessitent qu'un dégraissage thermique. 3DGP peut former des composants de grande taille. L'échantillon WC-20Co a été recuit à 700 ° C pendant une heure en tenant compte du décalage de température du four. En figue. 8 (c), il peut être clairement observé que le retrait de l'échantillon fabriqué par 3DGP est uniforme pendant le frittage. L'échantillon fritté conserve sa forme sans se déformer et ne présente aucun défaut sur la surface.Figure 10. Courbe DTA et courbe TG d'un échantillon 3DGP avec une vitesse de chauffe de 10 ° C / min.A mesure que la charge solide augmente, la densité frittée du L'échantillon 3DGP augmente. Tout comme les données de densité de la FIG. 9, un échantillon imprimé en utilisant une suspension WC-20Co avec une charge en solides de 56 vol.-% a montré une densité maximale de 13,55 g / cm3, qui a atteint 99,93% de la densité théorique. Cependant, lorsque la charge solide a été réduite à 47% en volume, la densité frittée n'était que de 12,01 g / cm 3 (88,58% de la densité théorique). L'effet de la charge solide se reflète également dans la microstructure de l'échantillon fritté. À une charge solide allant jusqu'à 56% en volume, l'image SEM (figure 11 (a)) montre un échantillon fritté avec une densification presque complète sans fissures ni vides observés. Lorsque la teneur en solide est faible, en d'autres termes, la teneur en solvant et la teneur en liant organique sont élevées, l'évaporation du solvant et la combustion du liant organique provoquent de nombreux vides, ce qui entrave la densification du frittage. figure. 11 (b) montre que lorsque la charge solide de la suspension WC-20Co est réduite à 53% en volume, il y a quelques petits trous dans l'échantillon fritté. Un grand nombre de vides peut être observé sur la Fig. 11 (c) illustrant la microstructure d'un échantillon imprimé en utilisant une suspension WC-20Co avec une charge en solides de 50% en volume. Comme le montre la FIG. 11 (d), de plus en plus de trous apparaissent à mesure que la charge solide est encore réduite. Il n'y a pas assez de phase liquide lors du dégraissage et du frittage pour remplir les pores laissés par le solvant et le liant organique. Cela a entraîné une faible densité et un grand nombre de vides dans les échantillons imprimés avec de la pâte WC-20Co avec une charge en solides de 47% en volume.Figure 11. (a) 56 vol%, (b) 53 vol%, (c) 50 vol%, et (d) une suspension de 47 vol% WC-20Co à travers une image SEM imprimée en 3DGP d'un échantillon fritté. La figure 12 montre le changement de dureté des échantillons frittés en fonction de la charge solide de la suspension WC-20Co. À une charge en solides de 47% en volume, la dureté (HRA) n'est que de 84,5. Une faible teneur en solides se traduit par une faible densité frittée (haute porosité), ce qui réduit considérablement les propriétés mécaniques de l'échantillon. Lorsque la charge solide augmente, la dureté augmente considérablement. Les échantillons imprimés à l'aide d'une suspension WC-20Co ayant une charge en solides de 56 vol% ont une dureté maximale (HRA) de 87,7. Figure 12. Valeurs de dureté des échantillons frittés avec différentes charges solides WC-20Co. Une situation similaire se produit avec la résistance à la rupture transversale de l'échantillon fritté. Comme le montre la figure 13, la résistance à la flexion de l'échantillon a été observée à augmenter avec l'augmentation de la charge solide. L'aspect de la fracture et la microstructure de l'échantillon (figure 14) l'ont également confirmé. Comme le montrent les Fig. 14 (b), (c) et (d), l'échantillon avait une très faible résistance à la flexion et de nombreux trous étaient causés par de faibles charges solides de 53%, 50% et 47% en volume. Malgré la présence de pores, on peut voir que les particules de WC sont uniformément réparties et qu'aucune croissance anormale ne se produit. Les échantillons fabriqués avec une suspension à teneur élevée en WC-20Co (56 vol%) avaient une résistance à la rupture transversale de 2612,8 MPa.Figure 13. Résistance à la flexion des échantillons frittés avec différentes charges solides WC-20Co.Figure 14. Schémas de fracture des échantillons WC-20Co imprimés en utilisant des boues avec différentes charges solides: (a) 56 vol%, (b) 53 vol%, (c) 50 vol%, et (d) 47 vol%.La figure 15 montre un coupe-onglet (diamètre 52 mm) en 3DGP et fritté à 1360 ° C. Le frittage rétrécit uniformément. Par conséquent, le fraisage en biseau a une bonne rétention de forme. Les propriétés mécaniques des échantillons imprimés en 3DGP sont similaires aux propriétés mécaniques des échantillons fabriqués avec des presses d'impression et des techniques de frittage conventionnelles. 3DGP est un processus avancé de formage proche du filet qui peut former des formes complexes sans moule (formage libre). Les lignes imprimées peuvent être visualisées sur une surface biseautée. Les pièces fabriquées par 3DGP doivent être polies et finies avant utilisation. La vitesse de moulage de 3DGP est encore très lente. L'impression de fraisage en biseau prend 2 heures et 46 minutes. En tant que processus sans moulage, 3DGP surmonte les limites des formes complexes et simplifie le flux de processus. Avec le développement de la technologie et de l'équipement, la précision et la vitesse de formage augmenteront progressivement. 3DGP fournit une nouvelle méthode pour la mise en forme proche du filet des composants WC-Co en métal dur. Figure 15. Fraise biseautée imprimée par 3DGP.4. Conclusion Le composant composite WC-20Co a été produit avec succès sous une forme presque nette par un nouveau procédé AM appelé impression 3D sur gel, qui dépose sélectivement la suspension de WC-20Co couche par couche. Les conclusions suivantes peuvent être tirées: (1) Des suspensions aux propriétés rhéologiques appropriées peuvent être préparées à l'aide de poudre composite WC-20Co de forme irrégulière et de systèmes de gel toluène-HEMA. Le comportement d'amincissement par cisaillement et la réaction de gélification contrôlée rendent le slury WC-20Co adapté au processus 3DGP. (2) Le 3DGP peut être utilisé pour fabriquer des corps verts complexes. L'utilisation de buses fines permet d'améliorer la précision de formage du 3DGP et de réduire la rugosité de surface de l'échantillon. Le taux de remplissage doit être sélectionné en fonction de la rhéologie de la suspension et de la taille de la buse. L'échantillon imprimé a une bonne forme et une rugosité de surface de 8,13 ± 0,6 μm. La faible teneur en liant du greenware permet à 3DGP de fabriquer des composants de grande taille. (3) L'augmentation de la charge solide de la suspension WC-20Co a entraîné des améliorations de la viscosité de la suspension, de la densité verte, de la densité frittée et des propriétés mécaniques de l'échantillon fritté. L'échantillon fritté imprimé à l'aide d'une suspension de 56 vol% WC-20Co a une densité de 13,55 g / cm 3 (99,93% de densité théorique), une dureté de 87,7 (HRA) et une résistance à la flexion de 2612,8 MPa. De plus, la microstructure est uniforme avec des grains de WC fins et uniformes.Référence: Xin yue Zhang, Zhi, meng Guo, Cun guang Chen, Wei wei Yang.Fabrication additive de composants WC-20Co par impression 3D sur gel. Journal international des métaux réfractaires et des matériaux durs, volume 70, janvier 2018, pages 215-223
Source: Meeyou Carbide

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