CN106903312A - 钨铜合金的激光3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钨铜合金的激光3D打印方法，将粒径为1～500μm的纯铜粉末和纯钨粉末分别放置在同轴送粉激光3D打印机送粉器的两个送粉桶内，通过调整两送粉桶的送粉量，在大于0小于等于0.4的范围内调整输送到激光加工点处的粉末中铜与钨的质量比，利用同轴送粉激光3D打印方法获得随着打印层数的增加具有所需成分梯度变化或成分恒定的钨铜合金构件，将得到的钨铜合金构件在惰性气体保护和温度300～800℃下退火，时间2～12h。本发明具有节省原料、效率高等优点，在电子封装、集成电路、国防军工、航空航天等领域都具有巨大的应用前景。

Description

钨铜合金的激光3D打印方法
技术领域
本发明涉及钨铜合金成形技术领域，具体涉及一种利用激光3D打印技术制备钨铜合金构件的方法。
背景技术
钨铜合金因结合了钨的高熔点、低线膨胀系数、高强度和铜的良好导电和导热性，而具有良好的导热导电性、耐电弧侵蚀性、抗熔焊性和耐高温抗氧化等优点，现已广泛应用于电力、电子、机械、冶金等行业。但是，钨铜合金是一种典型的假合金，因钨和铜不相溶，全致密化困难，孔隙度较大，故对材料的导热导电性能、气密封性和力学性能等存在不利影响。采用传统的粉末冶金和熔渗工艺所制备的钨铜合金存在显微组织粗大，残余孔隙度大，材料微观组织的均匀化不完全，产品的形状、大小受到限制等问题，从而不能最大限度发挥钨铜合金的潜力。因此，颠覆传统以粉末冶金和熔渗为主的制造工艺，从而无尺寸和形状限制地制备组织和性能优良的钨铜合金构件，是使钨铜合金适应各种新技术的要求的关键。
激光3D打印技术属于快速成形技术的一种，与传统的切削等机械加工技术不同，该技术是一种以数字模型文件为基础的先进制造技术，具有选材范围广、材料利用率高、低成本、精度高、周期短等优势。由于激光3D打印技术是一种逐层沉积的增材制造技术，因此可制备具有复杂形状、无尺寸限制的钨铜合金构件。另外，激光3D打印技术采用的高能激光束可充分熔化金属粉末，逐层堆积出高致密、组织细小、成分均匀、性能优异的近终形零件。因此，采用激光3D打印技术制备钨铜合金构件对于提高钨铜合金的性能和扩展其应用领域具有重要意义。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种钨铜合金的激光3D打印方法。
一种钨铜合金的激光3D打印方法，其特征在于：将粒径为1～500μm的纯铜粉末和纯钨粉末分别放置在同轴送粉激光3D打印机送粉器的两个送粉桶内，通过调整两送粉桶的送粉量，在大于0小于等于0.4的范围内调整输送到激光加工点处的粉末中铜与钨的质量比，在激光功率100～2500W，扫描速度100～600mm/min，激光光斑直径0.1～6mm，搭接率为15～50％，打印层厚0.005～2mm，打印环境氧浓度低于50ppm，基板预热温度0～800℃的条件下，利用同轴送粉激光3D打印方法获得随着打印层数的增加具有所需成分梯度变化或成分恒定的钨铜合金构件，将得到的钨铜合金构件在惰性气体保护和温度300～800℃下退火，时间2～12h。
所述纯铜粉末和所述纯钨粉末的粒径为1～100μm或20～100μm。
所述激光功率为1000～2500W。
所述激光光斑直径为1～6mm。
所述打印层厚为0.1～2mm。
所述激光3D打印机送粉器两个送粉桶的送粉率分别大于0小于等于30g/min。工作时，两个送粉桶的送粉率在上述范围内调整，进而调整输送到激光加工点处的粉末中铜与钨的质量比，两个送粉桶独立工作，相互不影响。
所述基板预热通过支撑基板的导热铜板的传热实现，所述导热铜板内部接通温度为0～800℃的循环流动液体或布置加热电阻丝。
所述基板的厚度为5～60mm，材质为45号钢、TC4钛合金或纯铜。
利用导热硅胶将所述基板紧密粘贴到所述导热铜板上。
通过调整两送粉桶的送粉量，在大于等于0.1小于等于0.4的范围内调整输送到激光加工点处的粉末中铜与钨的质量比。
本发明激光3D打印的钨铜合金构件组织致密可控，成分均匀，具有良好的导热导电性、耐电弧侵蚀性、抗熔焊性和高温抗氧化性。本发明的优点是克服粉末冶金和熔渗方法制备钨铜合金致密化速度慢，致密化程度低，组织粗大且分布不均，生产周期较长，产品的形状、大小受到限制等缺点，且具有节省原料、效率高等优点，在电子封装、集成电路、国防军工、航空航天等领域都具有巨大的应用前景。
基于上述理由本发明可在钨铜合金成形等技术领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的具体实施方式中钨铜合金的激光3D打印方法所用装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。
钨铜合金的激光3D打印方法所用装置的示意图如图1所示。
图中：1、真空手套箱，2、激光熔覆头，3、激光束，4、粉末，5、钨铜合金构件，6、基板，7、导热硅胶，8、导热铜板，9、加热液体导管，10、工作台，11、激光器，12、光纤，13、送粉器，14、送粉桶一，15、送粉桶二，16、送粉管。
实施例1：
将粒径为20～100μm的纯铜粉末和纯钨粉末分别放置在同轴送粉激光3D打印机送粉器13的送粉桶一14和送粉桶二15内。
通过调整送粉桶一14和送粉桶二15的送粉量，在大于0.1小于等于0.4的范围内调整输送到激光加工点处的粉末4中铜与钨的质量比，并且随着打印层数的增加，铜和钨的质量百分比保持不变。
基板6为厚度为20mm，材质为45号钢。
利用导热硅胶7将基板6紧密粘贴到导热铜板8上。
导热铜板8内部接通温度为室温的循环流动水。
利用计算机构建三维实体模型，设置沿Z向生成每层厚度为0.5mm的层状模型以及各层扫描路径程序。
激光3D打印的工艺参数：激光功率1500W，扫描速度300mm/min，激光光斑直径4mm，搭接率30％，打印环境氧浓度低于50ppm。
启动打印程序，激光束3按照预置的扫描路径完成第一层截面图形打印，激光打印头上升0.5mm，开始第二层截面图形打印，上述过程循环进行，最终得到钨铜合金构件5。
将得到的钨铜合金构件5移到加热炉中，炉内有N2气体保护，温度500℃，退火处理时间2h，完成钨铜合金构件5的制备。
实施例2：
将粒径为20～100μm的纯铜粉末和纯钨粉末分别放置在同轴送粉激光3D打印机送粉器13的送粉桶一14和送粉桶二15内。
通过调整送粉桶一14和送粉桶二15的送粉量，在大于0小于等于0.4的范围内调整输送到激光加工点处的粉末4中铜与钨的质量比，并且随着打印层数的增加，铜和钨的质量比发生梯度变化。
基板6为厚度为20mm，材质为45号钢。
利用导热硅胶7将基板6紧密粘贴到导热铜板8上。
导热铜板8内部接通温度为室温的循环流动水。
利用计算机构建三维实体模型，设置沿Z向生成每层厚度为0.5mm的层状模型以及各层扫描路径程序。
激光3D打印的工艺参数：激光功率1500W，扫描速度300mm/min，激光光斑3直径4mm，搭接率30％，打印环境氧浓度低于50ppm。
启动打印程序，激光束3按照预置的扫描路径完成第一层截面图形打印，激光打印头上升0.5mm，开始第二层截面图形打印，上述过程循环进行，最终得到钨铜合金构件5。
将得到的钨铜合金构件5移到加热炉中，炉内有N2气体保护，温度500℃，退火处理时间2h，完成钨铜合金构件5的制备。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种钨铜合金的激光3D打印方法，其特征在于：将粒径为1～500μm的纯铜粉末和纯钨粉末分别放置在同轴送粉激光3D打印机送粉器的两个送粉桶内，通过调整两送粉桶的送粉量，在大于0小于等于0.4的范围内调整输送到激光加工点处的粉末中铜与钨的质量比，在激光功率100～2500W，扫描速度100～600mm/min，激光光斑直径0.1～6mm，搭接率为15～50％，打印层厚0.005～2mm，打印环境氧浓度低于50ppm，基板预热温度0～800℃的条件下，利用同轴送粉激光3D打印方法获得随着打印层数的增加具有所需成分梯度变化或成分恒定的钨铜合金构件，将得到的钨铜合金构件在惰性气体保护和温度300～800℃下退火，时间2～12h。
2.根据权利要求1所述的钨铜合金的激光3D打印方法，其特征在于：所述纯铜粉末和所述纯钨粉末的粒径为1～100μm或20～100μm。
3.根据权利要求1所述的钨铜合金的激光3D打印方法，其特征在于：所述激光功率为1000～2500W。
4.根据权利要求1所述的钨铜合金的激光3D打印方法，其特征在于：所述激光光斑直径为1～6mm。
5.根据权利要求1所述的钨铜合金的激光3D打印方法，其特征在于：所述打印层厚为0.1～2mm。
6.根据权利要求1所述的钨铜合金的激光3D打印方法，其特征在于：所述激光3D打印机送粉器两个送粉桶的送粉率分别大于0小于等于30g/min。
7.根据权利要求1所述的钨铜合金的激光3D打印方法，其特征在于：所述基板预热通过支撑基板的导热铜板的传热实现，所述导热铜板内部接通温度为0～800℃的循环流动液体或布置加热电阻丝。
8.根据权利要求1或7所述的钨铜合金的激光3D打印方法，其特征在于：所述基板的厚度为5～60mm，材质为45号钢、TC4钛合金或纯铜。
9.根据权利要求7所述的钨铜合金的激光3D打印方法，其特征在于：利用导热硅胶将所述基板紧密粘贴到所述导热铜板上。
10.根据权利要求1所述的钨铜合金的激光3D打印方法，其特征在于：通过调整两送粉桶的送粉量，在大于等于0.1小于等于0.4的范围内调整输送到激光加工点处的粉末中铜与钨的质量比。
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