CN108746555A - 一种3d打印空间结构增强铜基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D打印空间结构增强铜基复合材料的制备方法，属于复合材料领域。本发明所述方法为利用绘图软件建立三维空间结构模型，将三维模型进行数据处理导入到激光选区熔化的金属3D打印机中，打印获得空间结构增强体；将空间结构增强体从3D打印机取出，依次进行分离、清洗、干燥，将干燥后的空间结构增强体安置在铸型或模具中；将熔炼后获得的铜液浇入放置有空间结构增强体的铸型或模具中，凝固冷却成形后即可获得空间结构增强的铜基复合材料。本发明能够获得增强体结构分布可控、性能大范围可调的空间结构增强铜基复合材料，且增强体与基体三维空间形成网络互穿结构，强化增强体与基体的结合，在充分利用铜或铜合金基体良好塑韧性和导电性的同时，最大限度发挥增强体增强作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印空间结构增强铜基复合材料的制备方法，属于复合材料领域。
背景技术
铜有良好的导电、导热性能和加工性能，被广泛应用。然而纯铜强度、硬度和耐磨性低，难以满足现代科技和工业发展的需求。改善铜性能尤其是机械性能的主要途径是合金化和制备铜基复合材料。其中，铜基复合材料能够在更大范围、更方便地调控或获得合金化难以实现的性能。改变增强体的结构分布和性能是调控铜基复合材料性能的主要方法。与颗粒增强复合材料相比，空间结构增强复合材料能更好发挥增强体的性能，并能在大范围实现复合材料性能的调控，具有凸出的优点。
现有的空间结构增强铜基复合材料,通过粉末冶金或烧结方法制备陶瓷预制体，或者化学气相沉积等方法制备泡沫石墨烯骨架。这些方法制得的增强体精度不高，很难实现增强体结构的有效控制，无法准确调控铜基复合材料的性能。中国发明专利CN101899585A公开了通过将金属粉末与硬质合金颗粒在模具中烧结获得具有特定形状增强体，然后将金属液渗入获得复合材料耐磨件的方法，但是，这一发明涉及的增强体制备工艺复杂，且只能制造简单的柱状、条状、块状、蜂窝状等增强体，凝固后获得的仍然为颗粒增强复合材料。中国发明专利CN105603248A通过在后处理过的泡沫骨架上通过化学气相沉积原位生长石墨烯膜或强化层获得增强体，然后在增强体表面制备一层改性层，采用压力熔渗技术与铜基体复合获得石墨烯骨架增强的铜基复合材料。该方法工艺过程繁琐,制得的泡沫石墨烯骨架结构类型较少，难以大范围有效调控复合材料性能。
3D打印不需要模具，能够实现复杂结构的直接成形，制备出传统工艺无法加工的空间构型。但公开的结果中，均使用3D打印制备塑料前置体，再通过复杂工艺获得增强体，增强体本身不具备结构强度，且结构精度控制困难。中国发明专利CN104874768A利用3D打印机先打印出空间结构塑料模板后，再将陶瓷颗粒和粘接剂配成浆料，灌注入塑料模板的空间结构间隙中；然后高温下去除塑料再获得空间结构陶瓷增强体；最后利用真空吸铸、挤压铸造等技术制备出金属基复合材料。这种方法制备的增强体实际上是颗粒粘结而成，本身不具备结构强度，增强体具有一定的空间构型，但精确度不高，制备的复合材料是具有一定空间结构分布特征的颗粒增强复合材料。中国发明专利CN105256160A利用3D打印机将按比例混合均匀的ZrO2陶瓷粉体和Ni基合金粉末在预定的打印参数和退火条件下制得陶瓷基镍合金复合材料制件。该方法只能制得一定强度的成形制件，全部过程使用3D打印完成，制造周期长，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印空间结构增强铜基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）利用绘图软件建立三维空间结构模型，将三维模型进行数据处理导入到激光选区熔化的金属3D打印机中，打印获得空间结构增强体；
（2）将空间结构增强体从3D打印机取出，依次进行分离、清洗、干燥，将干燥后的空间结构增强体安置在铸型或模具中；
（3）将熔炼后获得的铜液浇入放置有空间结构增强体的铸型或模具中，凝固冷却成形后即可获得空间结构增强的铜基复合材料。
优选的，本发明所述空间结构增强体的原材料为铁基球形粉末，粉末直径为10~60微米，粉末成分为纯Fe或C含量为0.005 wt%~0.1 wt%、Ni含量为0.0 wt%~30.0 wt%、Co含量为0.0 wt%~15.0 wt%、Cr含量为0.0 wt%~20.0 wt%, Mo含量为0.0 wt%~15.0%的Fe基合金粉末。
优选的，本发明步骤（3）中所述铜液为纯铜或铜合金熔炼后获得。
优选的，本发明步骤（3）中浇铸温度为800℃~1300℃，铸型通过重力浇铸、挤压铸造或真空吸铸实现，使用挤压铸造时压力范围为5~40MPa、保压时间5~10min，真空吸铸时相对真空度为-0.01MPa~-0.1MP。
优选的，本发明所述空间结构增强体结构、类型、尺寸可以根据应用需求进行设计和打印，实现大范围调节。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述方法结合金属3D打印能够实现复杂空间结构成形控制和铸造成形效率高成本低的优点，实现空间结构增强铜基复合材料的制备和性能控制；制备的铜基复合材料在充分利用基体良好塑韧性和导电性的同时，最大限度发挥增强体增强作用，并且能够通过改变增强体结构、分布参数和性能特征，以及铜合金基体成分和充型凝固条件，实现复合材料性能的大范围控制和调节。
（2）本发明能够获得增强体结构分布可控、性能大范围可调的空间结构增强铜基复合材料，且增强体与基体三维空间形成网络互穿结构，强化增强体与基体的结合，在充分利用铜或铜合金基体良好塑韧性和导电性的同时，最大限度发挥增强体增强作用。
（3）本发明获得的空间结构增强铜基复合材料的增强体与基体在复合界面形成过渡层，结合良好，在三维空间形成网络互穿结构，弱化了复合界面对材料热学和电学性能的影响。在充分利用铜或铜合金基体良好塑韧性和导电性的同时，能最大限度发挥增强体增强作用 ，从而使复合材料的机械强度、热学和电学性能相比较传统复合材料有较大提高。
附图说明
图1是本发明所述空间结构增强体的三维数据模型示意图；
图2是通过激光选区熔融打印的铁基空间结构增强体示意图；
图3是本发明获得的铜基复合材料宏观图；
图4是本发明获得的铜基复合材料的金相组织图；
图5是本发明获得的铜基复合材料中增强体与界面的结合处的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
（1）首先利用绘图软件建立三维空间结构模型（如图1所示），三维空间结构呈网格分布，单元体的边长为4mm。
（2）将三维模型进行数据处理导入到激光选区熔化的金属3D打印机中，原材料为纯铁粉末（粉末直径为10~20微米），打印获得空间结构增强体（如图2所示）。
（3）将空间结构增强体从打印机取出，分离、清洗、干燥，将干燥后的空间结构增强体安置在铸型或模具中。
（4）将熔炼后获得的铜液通过重力铸造浇入放置有空间结构增强体的铸型或模具中，浇铸温度1100℃，凝固冷却成形后即可获得3D打印空间结构增强铜基复合材料；获得的铜基复合材料试样硬度为75.5HBW，与纯铜67.3HBW相比，硬度提高了12%。
实施例2
（1）首先利用绘图软件建立如图1所示的三维空间结构模型，单元体网格的边长为2mm。
（2）将三维模型进行数据处理导入到激光选区熔化的金属3D打印机中，原材料为C含量为0.03 wt%、Ni含量为18.0 wt%、Co含量为9.0 wt%的Fe基合金粉末（粉末直径为30~40微米），打印获得空间结构增强体。
（3）将空间结构增强体从打印机取出，分离、清洗、干燥，将干燥后的空间结构增强体安置在铸型或模具中。
（4）在相对真空度为-0.065MPa下进行真空吸铸，铜液的温度为1150℃，在真空作用下充填空间结构增强体，凝固冷却成形后即获得3D打印空间结构增强铜基复合材料。图3是本实施例获得的结构增强铜基复合材料样品的宏观照片，图4是其金相组织，由金相组织图可知增强体均匀互穿于铜基体中；图5是其增强体与基体的界面结合情况，增强体的原材料粉末中Ni含量较高，Ni对增强体与基体的润湿性有一定的促进作用；由SEM图可知铜基体与增强体在复合区形成了过渡层，复合界面结合良好；铜基复合材料硬度95HBW，与纯铜67.3HBW相比，硬度提高了41%。
实施例3
（1）首先利用绘图软件建立如图1所示的三维空间结构模型，单元体网格的边长为6mm。
（2）将三维模型进行数据处理导入到激光选区熔化的金属3D打印机中，原材料C含量为0.03 wt%、Ni含量为13.0 wt%、Cr含量为19.0 wt%、Mo含量为3.0 wt%的Fe基合金粉末（粉末直径为50~60微米），打印获得空间结构增强体。
（3）将空间结构增强体从打印机取出，分离、清洗、干燥，将干燥后的空间结构增强体安置在铸型或模具中。
（5）在20MPa压力下，将熔化的铜液通过挤压铸造注入模具，凝固冷却成形后即可获得3D打印空间结构增强铜基复合材料；获得的铜基复合材料试样硬度为72HBW。
Claims (4)
1.一种3D打印空间结构增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）利用绘图软件建立三维空间结构模型，将三维模型进行数据处理导入到激光选区熔化的金属3D打印机中，打印获得空间结构增强体；
（2）将空间结构增强体从3D打印机取出，依次进行分离、清洗、干燥，将干燥后的空间结构增强体安置在铸型或模具中；
（3）将熔炼后获得的铜液浇入放置有空间结构增强体的铸型或模具中，凝固冷却成形后即可获得空间结构增强的铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述空间结构增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：空间结构增强体的原材料为铁基球形粉末，粉末直径为10~60微米，粉末成分为纯Fe或C含量为0.005wt%~0.1 wt%、Ni含量为0.0 wt%~30.0 wt%、Co含量为0.0 wt%~15.0 wt%、Cr含量为0.0 wt%~20.0 wt%, Mo含量为0.0 wt%~15.0%的Fe基合金粉末。
3.根据权利要求1所述空间结构增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述铜液为纯铜或铜合金熔炼后获得。
4.根据权利要求1所述空间结构增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中浇铸温度为800℃~1300℃，铸型通过重力浇铸、挤压铸造或真空吸铸实现，使用挤压铸造时压力范围为5~40MPa、保压时间5~10min，真空吸铸时相对真空度为-0.01MPa~-0.1MP。
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