1.本发明涉及铜合金3d打印技术领域,具体是涉及一种利用选区激光熔化制备铜合金的方法。
背景技术:
2.增材制造(additive manufacturing,am),也称3d打印,是一种融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的制造技术。选区激光熔化(selective laser melting,slm)是应用最广泛的金属材料增材制造工艺之一,具有熔池尺寸较小、冷却速率快等优点,有利于细化材料的微观组织,获得良好的力学性能。
3.铜及铜合金因具有优异的导电性、导热性、高强度、耐腐蚀性,已应用在先进轨道交通装备、航空航天装备、节能与新能源汽车等工业领域。铜金属在激光熔化的过程中,吸收率低,室温下仅有5%,激光难以持续熔化铜金属粉末,从而导致成形效率低,冶金质量难以控制等问题,同时95%的能量反射对于设备本身的伤害也是巨大的。
4.另外,铜及其合金相对低的激光吸收率、高温环境下容易发生氧化反应以及高的导热率都为其在slm技术的应用提出了挑战。此外,铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。
技术实现要素:
5.有鉴于此,本发明要解决的技术问题在于提供一种3d打印铜合金的制备方法,此方法采用绿色激光源,铜对绿色激光的吸收率很高,接近40%,足足是近红外激光的8倍,好的吸收率意味着比较宽的加工窗口,制件力学性能和电导率都大大提升,反射率的减少可以使得加工过程更加稳定而且高效。
6.本发明的技术方案如下:
7.一种选区激光熔化制备铜合金的方法,包括以下步骤:
8.s1、cu
‑
cr
‑
zr真空熔炼
9.以纯度为99.9%的电解铜为主要原料,加入cu
‑
cr、cu
‑
zr中间合金,在真空中频感应炉内熔炼,将准备好的原料放入真空熔炼炉中,先将真空熔炼炉内抽真空至炉内压力为0.1~5pa,在1100℃~1300℃环境下加热至混合物完全熔化成合金熔融液,保温0.5h,得到合金锭;
10.s2、气雾化制粉
11.开启雾化气体,对合金锭进行气雾化制粉,冷却成形为铜合金粉末;
12.s3、选区激光熔化
13.在选区激光熔化设备中,选用波长为516~525nm的绿激光源,用氩气填充整个腔室,从而确保打印环境较低的氧气含量,粉末层厚度为30μm。
14.进一步地,步骤s1中合金熔融液的成分及质量比为:cr:0.83~0.86%,zr:0.10~0.15%,cu:余量,通过两种中间合金熔融为合金熔融液的方法,使得合金熔融液的均匀性更好。
15.进一步地,s2步骤中,将熔铸后的合金锭在980℃下固溶,460℃保温3h,提高合金的塑性和韧性。
16.进一步地,s2步骤中,气雾化制粉采用高速压缩气流冲击合金熔融液,高速压缩气流使得合金熔融液雾化的效率更高。
17.进一步地,s2步骤中,铜合金粉末的粒径为20~60μm,金属粉末的氧含量小于等于400ppm,粒径更小的铜合金粉末便于激光熔化工艺对铜合金的制备。
18.优选地,步骤s3中,激光扫描的功率为300~400w,扫描速度为300~700mm/s,扫描间距为80~120μm,激光扫描能够快速高效完成铜合金粉末的熔融。
19.优选地,步骤s3中,每层激光扫描方向旋转65
°
~70
°
,以抑制残余应力的产生。
20.优选地,步骤s3中,打印环境的氧含量小于188ppm,防止打印出的铜合金氧化。
21.进一步优选地,步骤s3打印过程具体包括以下步骤:
22.s31、将铜合金粉末填充至送粉缸;
23.s32、在成型缸上装设基板;
24.s33、刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上;
25.s34、将腔室中充满氩气;
26.s35、波长为516~525nm的绿激光源依次经过反射镜、振镜、及场镜进入腔室中,将铜合金粉末熔融,得到打印出的产品。
27.本发明的有益效果是:
28.发明通过真空熔炼、雾化制粉、高能绿光源选区激光熔化打印得到铜合金,由于铜的导热性和反射性极佳,这使得铜金属在3d打印机内部难以操作,尤其在选区激光熔融3d打印工艺中,铜金属在激光熔化的过程中,吸收率低,室温下仅有5%,激光难以持续熔化铜金属粉末,从而导致成形效率低,冶金质量难以控制的问题,同时95%的能量反射对于设备本身的伤害也是巨大的。此外,铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。本发明通过采用绿激光源,通过选区激光熔化制备铜合金,激光吸收率为近红外激光的8倍,且加工窗口较宽,制件力学性能和电导率都大大提升,同时,反射率的减少使得加工过程更加稳定而高效。
附图说明
29.图1是本发明实施例1
‑
9制备铜合金的形貌俯视图;
30.图2是本发明实施例1
‑
9制备铜合金的形貌侧视图;
31.图3是本发明流程图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的
所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
33.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义,“多种”一般包含至少两种。
34.实施例1
35.如图3所示,一种利用选区激光熔化制备铜合金的方法,包括以下步骤:
36.s1、cu
‑
cr
‑
zr合金成分设计及真空熔炼
37.以高纯电解(99.9%)为主要原料,加入cu
‑
cr、cu
‑
zr中间合金,在真空中频感应炉内熔炼,将准备好的原料放入真空熔炼炉中,先将真空熔炼炉抽真空至真空度为0.1pa,再加热至混合物完全熔化成合金熔融液,冷却得到合金锭。熔化温度为1100℃,保温0.5h,得到合金锭,其成分及质量比为:cr:0.83%,zr:0.10%,cu:余量。
38.s2、气雾化制粉
39.将熔铸后的合金锭在980℃下固溶,460℃保温3h并开启雾化气体,对合金锭进行气雾化制粉,冷却成形为平均粒径为20μm铜合金粉末。
40.s3、选区激光熔化
41.在选区激光熔化设备中,选用波长为516nm的绿激光源,用氩气填充整个腔室,从而确保打印环境较低的氧气含量(氧含量小于188ppm),粉末层厚度为30μm。每层激光扫描方向旋转65
°
,以抑制残余应力的产生。在激光功率为300w、扫描速度为300mm/s、扫描间距为80μm,能量密度为416ed/j/mm3。
42.其中,步骤s3打印过程具体包括以下步骤:
43.s31、将铜合金粉末填充至送粉缸;
44.s32、在成型缸上装设基板;
45.s33、刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上;
46.s34、将腔室中充满氩气;
47.s35、波长为516nm的绿激光源依次经过反射镜、振镜、及场镜进入腔室中,将铜合金粉末熔融,得到打印出的产品。
48.实施例2
49.如图3所示,一种利用选区激光熔化制备铜合金的方法,包括以下步骤:
50.s1、cu
‑
cr
‑
zr合金成分设计及真空熔炼
51.以高纯电解(99.9%)为主要原料,加入cu
‑
cr、cu
‑
zr中间合金,在真空中频感应炉内熔炼,将准备好的原料放入真空熔炼炉中,先将真空熔炼炉抽真空至真空度为0.5pa,再加热至混合物完全熔化成合金熔融液,冷却得到合金锭。熔化温度为1100℃,保温0.5h,得到合金锭,其成分及质量比为cr:0.84%,zr:0.11%,cu:余量。
52.s2、气雾化制粉
53.将熔铸后的合金锭在980℃下固溶,460℃保温3h并开启雾化气体,对合金锭进行气雾化制粉,冷却成形为平均粒径为20μm铜合金粉末。
54.s3、选区激光熔化
55.在选区激光熔化设备中,选用波长为520nm的绿激光源,用氩气填充整个腔室,从而确保打印环境较低的氧气含量(氧含量小于188ppm),粉末层厚度为30μm。每层激光扫描
方向旋转67
°
,以抑制残余应力的产生。在激光功率为300w、扫描速度为500mm/s、扫描间距为100μm,能量密度为200ed/j/mm3。
56.其中,步骤s3打印过程具体包括以下步骤:
57.s31、将铜合金粉末填充至送粉缸;
58.s32、在成型缸上装设基板;
59.s33、刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上;
60.s34、将腔室中充满氩气;
61.s35、波长为520nm的绿激光源依次经过反射镜、振镜、及场镜进入腔室中,将铜合金粉末熔融,得到打印出的产品。
62.实施例3
63.如图3所示,一种利用选区激光熔化制备铜合金的方法,包括以下步骤:
64.s1、cu
‑
cr
‑
zr合金成分设计及真空熔炼
65.以高纯电解(99.9%)为主要原料,加入cu
‑
cr、cu
‑
zr中间合金,在真空中频感应炉内熔炼,将准备好的原料放入真空熔炼炉中,先将真空熔炼炉抽真空至真空度为1pa,再加热至混合物完全熔化成合金熔融液,冷却得到合金锭。熔化温度为1100℃,保温0.5h,得到合金锭,其成分及质量比为:cr:0.85%,zr:0.13%,cu:余量。
66.s2、气雾化制粉
67.将熔铸后的合金锭在980℃下固溶,460℃保温3h并开启雾化气体,对合金锭进行气雾化制粉,冷却成形为平均粒径为25μm的铜合金粉末。
68.s3、选区激光熔化
69.在选区激光熔化设备中,选用波长为525nm的绿激光源,用氩气填充整个腔室,从而确保打印环境较低的氧气含量(氧含量小于188ppm),粉末层厚度为30μm。每层激光扫描方向旋转65
°
,以抑制残余应力的产生。在激光功率为300w、扫描速度为700mm/s、扫描间距为120μm,能量密度为119ed/j/mm3。
70.其中,打印过程具体包括以下步骤:
71.s31、将铜合金粉末填充至送粉缸;
72.s32、在成型缸上装设基板;
73.s33、刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上;
74.s34、将腔室中充满氩气;
75.s35、波长为525nm的绿激光源依次经过反射镜、振镜、及场镜进入腔室中,将铜合金粉末熔融,得到打印出的产品。
76.实施例4
77.如图3所示,一种利用选区激光熔化制备铜合金的方法,包括以下步骤:
78.s1、cu
‑
cr
‑
zr合金成分设计及真空熔炼
79.以高纯电解(99.9%)为主要原料,加入cu
‑
cr、cu
‑
zr中间合金,在真空中频感应炉内熔炼,将准备好的原料放入真空熔炼炉中,先将真空熔炼炉抽真空至真空度为2pa,再加热至混合物完全熔化成合金熔融液,冷却得到合金锭。熔化温度为1200℃,保温0.5h,得到合金锭,其成分及质量比为:cr:0.84%,zr:0.14%,cu:余量。
80.s2、气雾化制粉
81.将熔铸后的合金锭在980℃下固溶,460℃保温3h并开启雾化气体,对合金锭进行气雾化制粉,冷却成形为平均粒径为40μm铜合金粉末。
82.s3、选区激光熔化
83.在选区激光熔化设备中,选用波长为516nm的绿激光源,用氩气填充整个腔室,从而确保打印环境较低的氧气含量(氧含量小于188ppm),粉末层厚度为30μm。每层激光扫描方向旋转67
°
,以抑制残余应力的产生。在激光功率为350w、扫描速度为300mm/s、扫描间距为80μm,能量密度为486ed/j/mm3。
84.其中,步骤s3打印过程具体包括以下步骤:
85.s31、将铜合金粉末填充至送粉缸;
86.s32、在成型缸上装设基板;
87.s33、刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上;
88.s34、将腔室中充满氩气;
89.s35、波长为516nm的绿激光源依次经过反射镜、振镜、及场镜进入腔室中,将铜合金粉末熔融,得到打印出的产品。
90.实施例5
91.如图3所示,一种利用选区激光熔化制备铜合金的方法,包括以下步骤:
92.s1、cu
‑
cr
‑
zr合金成分设计及真空熔炼
93.以高纯电解(99.9%)为主要原料,加入cu
‑
cr、cu
‑
zr中间合金,在真空中频感应炉内熔炼,将准备好的原料放入真空熔炼炉中,先将真空熔炼炉抽真空至真空度为4pa,再加热至混合物完全熔化成合金熔融液,冷却得到合金锭。熔化温度为1200℃,保温0.5h,得到合金锭,其成分及质量比为:cr:0.86%,zr:0.10%,cu:余量。
94.s2、气雾化制粉
95.将熔铸后的合金锭在980℃下固溶,460℃保温3h并开启雾化气体,对合金锭进行气雾化制粉,冷却成形为平均粒径为40μm铜合金粉末。
96.s3、选区激光熔化
97.在选区激光熔化设备中,选用波长为517nm的绿激光源,用氩气填充整个腔室,从而确保打印环境较低的氧气含量(氧含量小于188ppm),粉末层厚度为30μm。每层激光扫描方向旋转67
°
,以抑制残余应力的产生。在激光功率为350w、扫描速度为300mm/s、扫描间距为100μm,能量密度为233ed/j/mm3。
98.其中,步骤s3打印过程具体包括以下步骤:
99.s31、将铜合金粉末填充至送粉缸;
100.s32、在成型缸上装设基板;
101.s33、刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上;
102.s34、将腔室中充满氩气;
103.s35、波长为517nm的绿激光源依次经过反射镜、振镜、及场镜进入腔室中,将铜合金粉末熔融,得到打印出的产品。
104.实施例6
105.如图3所示,一种利用选区激光熔化制备铜合金的方法,包括以下步骤:
106.s1、cu
‑
cr
‑
zr合金成分设计及真空熔炼
107.以高纯电解(99.9%)为主要原料,加入cu
‑
cr、cu
‑
zr中间合金,在真空中频感应炉内熔炼,将准备好的原料放入真空熔炼炉中,先将真空熔炼炉抽真空至真空度为4pa,再加热至混合物完全熔化成合金熔融液,冷却得到合金锭。熔化温度为1200℃,保温0.5h,得到合金锭,其成分及质量比为:cr:0.85%,zr:0.13%,cu:余量。
108.s2、气雾化制粉
109.将熔铸后的合金锭在980℃下固溶,460℃保温3h并开启雾化气体,对合金锭进行气雾化制粉,冷却成形为平均粒径为40μm铜合金粉末。
110.s3、选区激光熔化
111.在选区激光熔化设备中,选用波长为520nm的绿激光源,用氩气填充整个腔室,从而确保打印环境较低的氧气含量(氧含量小于188ppm),粉末层厚度为30μm。每层激光扫描方向旋转67
°
,以抑制残余应力的产生。在激光功率为350w、扫描速度为700mm/s、扫描间距为120μm,能量密度为138ed/j/mm3。
112.其中,步骤s3打印过程具体包括以下步骤:
113.s31、将铜合金粉末填充至送粉缸;
114.s32、在成型缸上装设基板;
115.s33、刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上;
116.s34、将腔室中充满氩气;
117.s35、波长为520nm的绿激光源依次经过反射镜、振镜、及场镜进入腔室中,将铜合金粉末熔融,得到打印出的产品。
118.实施例7
119.如图3所示,一种利用选区激光熔化制备铜合金的方法,包括以下步骤:
120.s1、cu
‑
cr
‑
zr合金成分设计及真空熔炼
121.以高纯电解(99.9%)为主要原料,加入cu
‑
cr、cu
‑
zr中间合金,在真空中频感应炉内熔炼,将准备好的原料放入真空熔炼炉中,先将真空熔炼炉抽真空至真空度为5pa,再加热至混合物完全熔化成合金熔融液,冷却得到合金锭。熔化温度为1200℃,保温0.5h,得到合金锭,其成分及质量比为:cr:0.85%,zr:0.15%,cu:余量。
122.s2、气雾化制粉
123.将熔铸后的合金锭在980℃下固溶,460℃保温3h并开启雾化气体,对合金锭进行气雾化制粉,冷却成形为平均粒径为60μm铜合金粉末。
124.s3、选区激光熔化
125.在选区激光熔化设备中,选用波长为518nm的绿激光源,用氩气填充整个腔室,从而确保打印环境较低的氧气含量(氧含量小于188ppm),粉末层厚度为30μm。每层激光扫描方向旋转67
°
,以抑制残余应力的产生。在激光功率为400w、扫描速度为300mm/s、扫描间距为80μm,能量密度为556ed/j/mm3。
126.其中,步骤s3打印过程具体包括以下步骤:
127.s31、将铜合金粉末填充至送粉缸;
128.s32、在成型缸上装设基板;
129.s33、刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上;
130.s34、将腔室中充满氩气;
131.s35、波长为518nm的绿激光源依次经过反射镜、振镜、及场镜进入腔室中,将铜合金粉末熔融,得到打印出的产品。
132.实施例8
133.如图3所示,一种利用选区激光熔化制备铜合金的方法,包括以下步骤:
134.s1、cu
‑
cr
‑
zr合金成分设计及真空熔炼
135.以高纯电解(99.9%)为主要原料,加入cu
‑
cr、cu
‑
zr中间合金,在真空中频感应炉内熔炼,将准备好的原料放入真空熔炼炉中,先将真空熔炼炉抽真空至真空度为3.5pa,再加热至混合物完全熔化成合金熔融液,冷却得到合金锭。熔化温度为1250℃,保温0.5h,得到合金锭,其成分及质量比为:cr:0.83%,zr:0.10%,cu:余量。
136.s2、气雾化制粉
137.将熔铸后的合金锭在980℃下固溶,460℃保温3h并开启雾化气体,对合金锭进行气雾化制粉,冷却成形为平均粒径为60μm铜合金粉末。
138.s3、选区激光熔化
139.在选区激光熔化设备中,选用波长为522nm的绿激光源,用氩气填充整个腔室,从而确保打印环境较低的氧气含量(氧含量小于188ppm),粉末层厚度为30μm。每层激光扫描方向旋转67
°
,以抑制残余应力的产生。在激光功率为400w、扫描速度为500mm/s、扫描间距为100μm,能量密度为333ed/j/mm3。
140.其中,步骤s3打印过程具体包括以下步骤:
141.s31、将铜合金粉末填充至送粉缸;
142.s32、在成型缸上装设基板;
143.s33、刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上;
144.s34、将腔室中充满氩气;
145.s35、波长为522nm的绿激光源依次经过反射镜、振镜、及场镜进入腔室中,将铜合金粉末熔融,得到打印出的产品。
146.实施例9
147.如图3所示,一种利用选区激光熔化制备铜合金的方法,包括以下步骤:
148.s1、cu
‑
cr
‑
zr合金成分设计及真空熔炼
149.以高纯电解(99.9%)为主要原料,加入cu
‑
cr、cu
‑
zr中间合金,在真空中频感应炉内熔炼,将准备好的原料放入真空熔炼炉中,先将真空熔炼炉抽真空至真空度为2.5pa,再加热至混合物完全熔化成合金熔融液,冷却得到合金锭。熔化温度为1300℃,保温0.5h,得到合金锭,其成分及质量比为:cr:0.86%,zr:0.15%,cu:余量。
150.s2、气雾化制粉
151.将熔铸后的合金锭在980℃下固溶,460℃保温3h并开启雾化气体,对合金锭进行气雾化制粉,冷却成形为平均粒径为60μm铜合金粉末。
152.s3、选区激光熔化
153.在选区激光熔化设备中,选用波长为524nm的绿激光源,用氩气填充整个腔室,从而确保打印环境较低的氧气含量(氧含量小于188ppm),粉末层厚度为30μm。每层激光扫描方向旋转67
°
,以抑制残余应力的产生。在激光功率为400w、扫描速度为700mm/s、扫描间距为120μm,能量密度为158ed/j/mm3。
154.其中,步骤s3打印过程具体包括以下步骤:
155.s31、将铜合金粉末填充至送粉缸;
156.s32、在成型缸上装设基板;
157.s33、刮刀将送粉缸内的金属粉末均匀刮满在基板上;
158.s34、将腔室中充满氩气;
159.s35、波长为524nm的绿激光源依次经过反射镜、振镜、及场镜进入腔室中,将铜合金粉末熔融,得到打印出的产品。
160.实验例
161.应用上述实施例1
‑
9的方法制备的铜合金(如图1、图2所示),与采用传统激光器成形技术制备的3d打印铜合金对比;经高能绿激光选区激光熔化成形后对各个试样的测试记录,记录数据如表1所示。
162.表1各个实例实施制备出试样的测试数据
[0163][0164][0165]
通过上述数据可知,每个实施例中所制备的铜合金较传统激光器成形件致密度、导电率、硬度、抗拉性能均有提升,符合3d打印铜合金的性能要求;其中通过对比可以得出实施例7为上述方法的最佳实验方案,相较于现有技术成形后的试样,致密度提升了0.7%,导电率提升了21.3%,硬度提升了42%,抗拉强度提升了36.5%。
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