CN107931607A - 一种利用激光增材技术制造铜铬合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用激光增材技术制造铜铬合金的方法，属于金属材料领域。Cu‑Cr触头材料的显微组织细化及超细化可望全面提升Cu‑Cr触头材料的综合性能，同时使真空灭弧室绝缘强度升高，特别是Cr相的细化有利于提高合金的耐电压强度、抗电弧烧蚀能力和降低合金的截流值。传统的制备工艺如熔铸、粉末冶金法很难实现Cr相的细化以及Cr在铜中的均匀弥散分布。本发明采用激光增材制造技术来制备整块Cu‑Cr合金材料，该技术不但能够细化Cr相，提高合金的综合性能，同时能够快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件自由制造，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。

Description

一种利用激光增材技术制造铜铬合金的方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种利用激光增材技术制造铜铬合金的方法。
背景技术
近年来，大功率电路断路技术正在飞速发展，其中用于中压电路(5～38V)的真空开关，已成为主流产品。真空开关的工作原理是通过机械振动，使真空室的动触头和静触头分开和闭合，实现电路的开关。在触头分离的瞬间，由于强电场的作用，触头间燃起电弧，电弧的高温使触头表面微区金属融化并蒸发形成金属蒸汽流，直到金属蒸汽密度太小，不足以维持电弧为止，电路随之断开。因此对真空开关来说，触头材料十分关键，而且要求触头材料具有高导电率、良好机械性能及抗腐蚀性能。
由CuCr合金的相图可以发现，对于高Cr含量的CuCr合金，其实际上是两相结构的假合金，这种结构特点，使CuCr都充分保持了各自的良好特性熔点低、导电率和热导率高的Cu组元，有利于提高真空开关的分断能力，而第二组元Cr具有较高的熔点、较高的机械强度和较低的截流值，保证了真空开关具有良好的耐电压、抗烧蚀、抗熔焊和低截流特性。现在CuCr合金则是目前被广泛应用的触头材料。到目前为止，尚未发现有新的电触头材料性能优于CuCr合金。研究表明，CuCr材料的性能取决于显微组织，特别是Cr颗粒的大小，CuCr触头材料的显微组织细化，成分均匀化和Cr粒子的细化能大幅度地提高其耐电压强度和降低最大截留值。因此，研究晶粒更细的CuCr合金触头材料十分必要。
现今的CuCr合金常规制造技术主要包括混合熔铸法、机械合金法、快速凝固法等。混合熔铸法虽然生产成本低，但其生产的铜合金存在晶粒粗大、偏折严重、杂质含量高等问题，此外由于Cu、Cr难以互溶的特性，混合熔铸技术难以制造出高铬含量、铬分布均匀的CuCr合金。机械合金法是将铜粉与铬粉混合后进行压制成形和烧结，尽管能够一定程度上改善Cr的分布，但是仍然难以获得全致密的CuCr合金。文献报道的结果表明【刘杰，周志明，涂坚，黄灿，柴林江，黄伟九，王亚平，激光表面处理Cu Cr50合金的显微组织及性能，表面技术，2016，45(5)：169-174】，Cu-Cr合金表面经过进一步的激光重熔处理可以大幅度降低Cr相的尺寸，改善Cr在铜的中分布，提高CuCr合金的硬度和耐磨性，这说明CuCr合金通过激光重熔快速凝固的方法细化Cr相是可行的，但是文献报道的激光表面重熔法只能用于Cu-Cr合金的表面改性，不能用于制取整块Cu-Cr合金材料。因此，在现有研究结果基础上，探索一种既可以制备块体CuCr合金，又能够使得Cr在Cu中均匀分布的方法迫在眉睫。
发明内容
本发明目的是提供一种既可以制备块体CuCr合金，又能够使得Cr在Cu中均匀分布的方法。
一种利用激光增材技术制造铜铬合金的方法，其特征在于首先根据采用的激光打印方式选用合适粒度的球形铜粉末，然后选用平均粒度小于2微米的Cr粉末与铜粉末进行球磨混合，通过控制球磨转速和时间使Cr粉末能够附着在球形Cu粉末的表面，Cr粉的添加量根据设计的成分进行确定，其范围可在5-60wt％进行任意调整；将混合后的粉末置于激光打印机中在适当的激光功率和扫描速度下打印制备成块体，然后再进行热处理得到最终CuCr合金材料。
进一步地，激光打印方式为粉末床打印和同轴送粉式堆积打印两种，其中粉床式打印时球形铜粉的粒度为5-35微米范围，同轴送粉式堆积打印时铜粉的粒度为30-50微米。
进一步地，对于同轴送粉式堆积打印方式，打印过程采用氩气氛保护，激光功率控制在500-700W，扫描速度控制在400-700mm/min,送粉速率10-15g/min。
进一步地，对于粉床式激光打印方式，气氛采用氩气气氛，激光功率控制在50-200W范围内，扫描速度100-200mm/s，激光束直径100-200μm。
进一步地，采用真空进行热处理，热处理温度为650-900℃，热处理时间60-90min。
本发明的优点在于，采用激光增材制造的方法不但能够细化Cr相，提高合金的综合性能，同时能够快速精密地制造出任意复杂形状的CuCr合金零件，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。
具体实施方式
(1)采用粉床式激光打印CuCr35合金
首先选用粒度在5-35微米的球形铜粉和平均粒度小于2微米的Cr粉末，通过球磨进行混合，球磨转速为150转/分种，球磨时间60分钟,铜粉与Cr粉的质量比为65：35。将混合后的粉末置于粉床式激光打印机中，采用氩气氛保护，激光功率采用150W，扫描速度150mm/s，激光束直径200μm。最后再将打印制备的CuCr合金于900℃进行真空热处理，热处理时间60min，然后随炉冷却得到最终的CuCr35合金。
(2)采用激光同轴送粉堆积式打印CuCr55合金
首先选用粒度在30-50微米范围内的球形铜粉和平均粒度小于2微米的Cr粉末，通过球磨进行混合，球磨转速为200转/分种，球磨时间90分钟,铜粉与Cr粉的质量比为45：55。将混合后的粉末置于同轴送粉激光打印机中，采用氩气氛保护，激光功率700W，扫描速度控制在700mm/min,送粉速率15g/min。最后再将打印制备的CuCr合金在850℃进行真空热处理，热处理时间90min，然后随炉冷却得到最终的CuCr55合金材料。

Claims (5)

1.一种利用激光增材技术制造铜铬合金的方法，其特征在于首先根据采用的激光打印方式选用合适粒度的球形铜粉末，然后选用平均粒度小于2微米的Cr粉末与铜粉末进行球磨混合，通过控制球磨转速和时间使Cr粉末能够附着在球形Cu粉末的表面，Cr粉的添加量根据设计的成分进行确定，其范围可在5-60wt％进行任意调整；将混合后的粉末置于激光打印机中在适当的激光功率和扫描速度下打印制备成块体，然后再进行热处理得到最终CuCr合金材料。
2.根据权利要求1所述一种利用激光增材技术制造铜铬合金的方法，其特征在于激光打印方式为粉末床打印和同轴送粉式堆积打印两种，其中粉床式打印时球形铜粉的粒度为5-35微米范围，同轴送粉式堆积打印时铜粉的粒度为30-50微米。
3.根据权利要求1所述一种利用激光增材技术制造铜铬合金的方法，其特征在于对于同轴送粉式堆积打印方式，打印过程采用氩气氛保护，激光功率控制在500-700W，扫描速度控制在400-700mm/min,送粉速率10-15g/min。
4.根据权利要求1所述一种利用激光增材技术制造铜铬合金的方法，其特征在于对于粉床式激光打印方式，气氛采用氩气气氛，激光功率控制在50-200W范围内，扫描速度100-200mm/s，激光束直径100-200μm。
5.根据权利要求1所述一种利用激光增材技术制造铜铬合金的方法，其特征在于采用真空进行热处理，热处理温度为650-900℃，热处理时间60-90min。
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