CN105880594A

CN105880594A - 一种铜合金粉末3d打印方法

Info

Publication number: CN105880594A
Application number: CN201610459588.6A
Authority: CN
Inventors: 钟飞; 黄丰; 钟力强; 聂铭; 王伟; 李文胜; 陈锦攀
Original assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2016-08-24

Abstract

本发明公开了一种铜合金粉末3D打印方法，包括：步骤1)称粉、筛粉并将铜合金粉末烘干；步骤2)进行三维CAD模型处理；步骤3)将烘干的铜合金粉末倒入粉缸，SLM成形机准备并对基板进行预处理，安装基板和刮刀，预置铺粉；步骤4)通过振镜扫描系统控制激光头动作，激光头的功率为200～500W，扫描速率为V＝50‑300mm/s，扫描间距为0.07mm～0.09mm，铺粉厚度d＝20μm，激光光斑直径D＝120或140μm。通过选择激光波长和功率等数据，并在成型后进行退火热处理，解决了铜合金高导热高反光难以激光成型和黄铜成型后开裂的技术难题。

Description

一种铜合金粉末3D打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种铜合金粉末3D打印方法。

背景技术

SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成形的一种技术。为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过10⁶W/cm²。目前用于SLM技术的激光器主要有Nd-YAG激光器、CO₂激光器、光纤(Fiber)激光器，这些激光器产生的激光波长分别为1064nm、10640nm、1090nm。金属粉末对1064nm等较短波长激光的吸收率比较高，而对10640nm等较长波长激光的吸收率较低。因此在成形金属零件过程中具有较短波长激光器的激光能量利用率高，如果采用较长波长的CO₂激光器，则激光能量利用率低。其次，球化、裂纹、变形、翘曲、脱层等的形成机理及其预防措施是国内外研究者需要攻克的关键技术瓶颈问题。

在高激光能量密度作用下金属粉末完全熔化、经散热冷却实现与固体金属冶金焊合成形。SLM技术正是通过对激光选区内的金属粉末完全熔化、经散热冷却固化、层层累积成形出三维实体的3D打印技术。

根据成形件的三维CAD模型的分层切片信息，扫描系统(振镜)控制激光束作用于待成形区域内的粉末。一层扫描完毕后，活塞缸内的活塞下降一个层厚距离；接着送粉系统输送一定量的粉末，铺粉系统的辊子铺展一层厚的粉末沉积于已成形层之上。然后，重复上述两个成形过程，直至所有三维CAD模型的切片层全部扫描完毕。这样三维CAD模型经逐层累积方式直接成形金属零件。最后，活塞上推，从成形装备中取出零件。至此，SLM金属粉末直接成形金属零件的全部过程结束。

SLM加工过程中，致密化过程一般有三个阶段：颗粒的重排、溶解析出和固相烧结。由于激光与粉末相互作用时间极短，颗粒重排在致密化过程中起决定作用。温度梯度、重力及毛细管力等提供了熔池中增强颗粒重排的驱动力，而驱动力不足将导致凝固后的试件中形成孔隙等缺陷，降低试件的激光成形性能。

金属3D打印应用于工业制造以来，原材料一直以钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金等为主，铜由于高导热高反光等特性，工艺技术壁垒始终难以突破，无法实现3D打印。铜合金具有极好的导热性，这也是铜合金作为发动机燃烧室及其他零件内衬理想材料的原因。然而，这种属性却为铜合金增材制造带来挑战，因为激光很难连续熔化铜合金粉末。

由于铜合金对激光的吸收能力较差，大部分光束被反射，反射的激光能量在与模型相邻的区域形成了较高的温度区，发生了烧结现象，恶化了模型的表面质量。采用相同激光参数对不锈钢、工具钢、钛合金、铜合金等金属粉末进行了加工。实验结果显示：铜合金粉末发生成球结晶现象，而其他金属粉末则形成致密的冶金结合。球化结晶所形成的球体直径均远大于粉末层的厚度，有些球体已经从底板上脱落。所以出现球化结晶现象时无法实现下一层粉末的铺粉过程，造成铺粉过程困难甚至建模过程中断。SLM过程中用于熔化铜合金粉末的激光能量不仅取决于激光器的输出功率，同时也取决于材料对激光的吸收。铜合金对固体激光的吸收率远远小于钢等材料对固体激光的吸收率，因而在SLM过程中实际用于熔化铜合金粉末的能量很少，大部分激光能量都被反射，从而造成了球化结晶现象。要消除球化现象,需达到足够高的激光能量密度。

铜合金3D打印难点：1)铜合金激光反射率高，不易吸收；2)导热率太高，能量被导走；3)可焊性差，易萌生长裂纹；4)成型不稳定，表面凹凸不平，和表面张力有关；5)黄铜中的锌汽化点低，易挥发，改变成份，污染光学元器件。

如何提供一种铜合金粉末3D打印方法，实现铜合金粉末3D打印，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜合金粉末3D打印方法，实现铜合金粉末3D打印。

为解决上述技术问题，本发明提供如下方案：

一种铜合金粉末3D打印方法，包括：步骤1)称粉、筛粉并将铜合金粉末烘干；步骤2)进行三维CAD模型处理；步骤3)将烘干的所述铜合金粉末倒入粉缸，SLM成形机准备并对基板进行预处理，安装基板和刮刀，预置铺粉；步骤4)通过振镜扫描系统控制激光头动作，所述激光头的功率为200～500W，扫描速率为V＝50～300mm/s，扫描间距为0.07mm～0.09mm，铺粉厚度d＝20μm，激光光斑直径D＝120或140μm，所述铜合金粉末成分84.5％Cu-8％Sn-6.5％P-1％Ni，所述铜合金粉末粒度为15μm～45μm。

优选的，上述激光头的激光线能量密度η＝4kJ/m。

优选的，上述三维CAD模型处理包括加支撑、预切片、切片检查。

优选的，上述SLM成形机准备包括清洁和预检。

优选的，上述基板预处理包括清洁基板和基板表面喷砂。

上述本发明所提供的铜合金粉末3D打印方法，包括：步骤1)铜合金粉末烘干；步骤2)进行三维CAD模型处理；步骤3)将烘干的所述铜合金粉末倒入粉缸，SLM成形机准备并对基板进行预处理，安装基板和刮刀，预置铺粉；步骤4)通过振镜扫描系统控制激光头动作，所述激光头的功率为200～500W，扫描速率为V＝50～300mm/s，扫描间距为0.07mm～0.09mm，铺粉厚度d＝20μm，激光光斑直径D＝120或140μm，所述铜合金粉末成分84.5％Cu-8％Sn-6.5％P-1％Ni，所述铜合金粉末粒度为15μm～45μm。

研究和分析前期获得的数值模拟和实验结果，探讨SLM工艺参数(激光功率、扫描速度、铺粉厚度等)对颗粒在熔池中运动和致密化行为的影响。利用大型选区激光熔化快速成型设备，经过大量严谨繁复的试验，终于得出适合进行铜合金3D金属打印的工艺参数，成功打印出铜合金结构件，从而实现铜合金粉末3D打印。

附图说明

图1为采用本发明提供的铜合金粉末3D打印方法得到的试样的金相图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为采用本发明提供的铜合金粉末3D打印方法得到的试样的金相图。

本发明实施例所提供的铜合金粉末3D打印方法，包括：步骤1)铜合金粉末烘干；步骤2)进行三维CAD模型处理；步骤3)将烘干的铜合金粉末倒入粉缸，SLM成形机准备并对基板进行预处理，安装基板和刮刀，预置铺粉；步骤4)通过振镜扫描系统控制激光头动作，激光头的功率为200～500W，扫描速率为V＝50～300mm/s，扫描间距为0.07mm～0.09mm，铺粉厚度d＝20μm，激光光斑直径D＝120或140μm，铜合金粉末成分84.5％Cu-8％Sn-6.5％P-1％Ni，铜合金粉末粒度为15μm～45μm。

其中，激光头的激光线能量密度η＝4kJ/m，这样可以使熔池内气泡快速逸出熔池，进而获得最高致密度(99.88％)的试件。

其中，三维CAD模型处理包括加支撑、预切片、切片检查。SLM成形机准备包括清洁和预检。基板预处理包括清洁基板和基板表面喷砂。

本发明实施例所提供的铜合金粉末3D打印方法为选择性激光熔化(SLM)金属粉末的3D打印工艺，SLM快速成型技术的关键之一在于工艺参数的选择与优化,最佳的工艺参数组合能够使所制造的铜金属零件达到最佳的结合强度与尺寸精度。本发明的目的，就是提供一种基于SLM设备合适铜合金3D打印加工的工艺，特别是黄铜的选择性激光熔化(SLM)3D打印工艺，通过选择激光波长和功率，并在成型后进行退火热处理。本发明解决了铜合金高导热高反光难以激光成型和黄铜成型后开裂的技术难题。

具体实施时，包括如下步骤：

1、计算铜合金粉末需求量：粉末量＝成形缸长×成形缸宽×零件高度×材料密度，如以SLM250装备和Cu合金为计算依据：

粉末量(kg)＝250mm×250mm×零件高度(mm)÷1000×8.9g/cm3/1000；

2、铜合金粉末在加工前要称粉和筛粉，采用筛粉机筛粉，并采用磅秤称取步骤1所计算的粉末量；

3、合金粉末烘干：采用真空炉或者气氛保护炉，将粉末烘干，温度和时间随天气、粉末粒度而定，一般是80-200℃，1-6小时；

4、待加工零件的三维CAD模型处理，采用Magics等软件将待加工零件的三维CAD模型进行处理：加支撑、预切片、切片检查等；

5、加工时将合金粉装如设备中，将烘干的粉末倒入SLM成形机的粉缸；

6、SLM成形机准备，对设备进行清洁和预检；

7、基板预处理，清洁基板，并采用喷砂机对基板表面进行喷砂，以获得所需要的表面粗糙度；

8、加工时要将复杂件基板和刮刀安装好，在SLM成形缸中安装基板和刮刀；

9、预置铺粉，启动SLM机，将粉末按照切片厚度铺设；

10、SLM成形：开启激光，对粉末床进行选择性激光辐照；重复9和10完成整个零件的成形，

选择性激光辐照包括激光头的功率为200～500W，扫描速率为V＝50～300mm/s，扫描间距为0.07mm～0.09mm，铺粉厚度d＝20μm，激光光斑直径D＝120或140μm，铜合金粉末成分84.5％Cu-8％Sn-6.5％P-1％Ni，铜合金粉末粒度为15μm～45μm；

11、3D零件取出，将成形缸升起，取出零件；

12、3D零件后处理，对零件进行退火、线切割和表面处理等后处理。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种铜合金粉末3D打印方法，其特征在于，包括：

步骤1)称粉、筛粉并将铜合金粉末烘干；

步骤2)进行三维CAD模型处理；

步骤3)将烘干的所述铜合金粉末倒入粉缸，SLM成形机准备并对基板进行预处理，安装基板和刮刀，预置铺粉；

步骤4)通过振镜扫描系统控制激光头动作，所述激光头的功率为200～500W，扫描速率为V＝50-300mm/s，扫描间距为0.07mm～0.09mm，铺粉厚度d＝20μm，激光光斑直径D＝120或140μm，所述铜合金粉末成分84.5％Cu-8％Sn-6.5％P-1％Ni，所述铜合金粉末粒度为15μm～45μm。

2.根据权利要求1所述的铜合金粉末3D打印方法，其特征在于，所述激光头的激光线能量密度η＝4kJ/m。

3.根据权利要求1所述的铜合金粉末3D打印方法，其特征在于，所述三维CAD模型处理包括加支撑、预切片、切片检查。

4.根据权利要求1所述的铜合金粉末3D打印方法，其特征在于，所述SLM成形机准备包括清洁和预检。

5.根据权利要求1所述的铜合金粉末3D打印方法，其特征在于，所述基板预处理包括清洁基板和基板表面喷砂。