CN108746583B - 激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法 - Google Patents

激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法，其特征是该粉芯丝材由质量占整个粉芯丝材24.5%~26%的微米锌粉与质量占整个粉芯丝材3.5%~4%的纳米铝粉构成的微纳粉芯和质量占整个粉芯丝材70%~72%的铜皮组成，各组分之和为100%，其制备方法主要包括微纳粉制备、外皮成形及填粉、合口与拉拔成丝。采用本发明所述的CuZnAl微纳粉芯丝材作为激光增材制造用材，具有形状记忆功能损失小、成形精度高等特点，而且避免了目前以粉末作为增材制造材料存在的粉末利用率低等问题，同时也解决了以实心丝材作为增材制造用材所需激光能量较高更易引起功能损失等问题。

Description

激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备 方法
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种激光增材制造用材料及其制备方法，具体地说是一种激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法。
背景技术
激光增材制造技术，是指以激光作为能量源且基于离散-堆积原理并由零件三维数据驱动直接制造零件的一种先进制造技术。然而，激光增材制造用材料的研发目前尚处于初级阶段，能够使用的材料种类相对较少，极大地限制了这一先进制造技术的广泛应用。
CuZnAl合金是上世纪七十年代兴起的一种新型功能记忆型材料。与Ni-Ti合金相比，其不仅成本低而且记忆的温度范围宽，从而引起了人们的积极关注。如果能够将CuZnAl合金应用到激光增材制造技术领域，可更好地解决一些传统制造技术不易实现的难题。然而，无论是将CuZnAl合金以单质粉体直接混合或是混合后进行机械合金化，还是将CuZnAl合金粉碎制成合金粉，乃至于将CuZnAl合金拉拔制成合金丝，在激光增材制造过程中由于激光能量密度极高，其中的低沸点元素如CuZnAl合金中的Zn等都极易烧损；同时，激光增材制造过程中不可避免地存在着堆积后一层材料势必会部分重熔前一层材料的具体现实，造成重熔结晶的CuZnAl合金晶粒粗大等问题，也会增大形状记忆功能损失。综上可见，CuZnAl合金激光增材制造过程中，如何降低其形状记忆功能损失是需要面对的核心关键问题。
粉芯丝材是一种用金属带材包裹填充粉末并拉拔成一定直径的可用于激光增材制造的新型材料，其不仅避免了使用粉材激光增材制造时所存在的材料利用率低等缺点，也避免了使用实心丝材激光增材制造时所需激光能量较高等不足，而且通过优化其中粉芯的成分及结构等还可以对激光增材制造制件的形性进行调控，是一类极具发展潜力和前景的激光增材制造用材。如果以CuZnAl合金中的沸点最高的Cu作为外皮制成CuZnAl粉芯丝材，借助高沸点Cu皮的保护作用可望解决其中低沸点元素的烧损问题；同时，在沸点最低的微米Zn粉表面包覆沸点次低的纳米Al粉制备核壳结构微纳复合粉体，一方面Al粉可连同Cu皮对低沸点元素Zn实施双重保护降低其在激光增材制造过程中的烧损，另一方面引入纳米效应通过细化晶粒等增强其形状记忆功能而弥补CuZnAl合金增材制造过程中功能损失；进而，可望获得一种功能低损型CuZnAl合金的激光增材制造用新型材料。
然而，据申请人所知，目前尚未有一种通过合理匹配各组元结构的激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法可供使用。
发明内容
本发明的目的是针对CuZnAl合金激光增材制造过程中易产生较为严重的形状记忆功能损失的问题，发明一种激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法。
本发明的技术方案之一是：
一种激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材，其特征是它主要由由微纳粉和包裹用的铜皮组成，所述的微纳粉由质量占整个微纳粉芯丝材24.5%~26%的微米锌粉与质量占整个微纳粉芯丝材3.5%~4%的纳米铝粉组成，所述铜皮的质量占整个微纳粉芯丝材的70%~72%，各组分之和为100%。
所述微纳粉是以微米锌粉为核、纳米铝粉为壳的核壳结构的微纳复合粉体。
所述微米锌粉的粒径为50~75μm。
所述纳米铝粉的粒径为30~80nm。
本发明的技术方案之二是：
一种激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材的制备方法，其特征是它包括如下步骤：
（1）将按所需配比称量好的微米锌粉和纳米铝粉制成微纳粉；
（2）将裁剪好的纯铜带轧制成U型，再向U型槽中加入步骤（1）制备的微纳粉；
（3）将U型槽合口，使微纳粉包裹在其中；
（4）通过丝材拉拔装置，将微纳粉芯丝材拉成直径为0.5~2mm的成品。
所述纳米铝粉最好制成纳米悬浮液后再与微米粉混合。
所述的微纳粉是以微米锌粉为核、纳米铝粉为壳的核壳结构的微纳复合粉体。
本发明的有益效果：
（1）本发明创造性地将粉芯丝材应用到激光增材制造领域，避免了目前以粉末作为增材制造材料存在的粉末利用率低等问题，同时也解决了以实心丝材作为增材制造用材所需激光能量较高更易引起功能损失等问题，尤其是以微纳粉作为粉芯使得通过优化其中的纳米组分特性如粒径等即可实现激光增材制造件的形性调控。
（2）本发明所述激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法，合理地利用了合金各成分的物性，将其按比例分别以微米粉、纳米粉与外皮三种不同形式进行组合，其中的纳米组分可细化晶粒进而减弱了增材制造过程不可避免存在重熔而引起的功能损失；同时，由于Al粉与铜皮的双层保护，可很好地抑制熔融过程中锌的蒸发，从而抑制了形状记忆效应的损失。
附图说明
图1是本发明所述微纳粉芯丝材的横截面示意图；
图2是本发明所述微纳粉芯丝材制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。
如图1~2所示。
一种激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材，该粉芯丝材由质量占整个粉芯丝材24.5%~26%的微米锌粉与质量占整个粉芯丝材3.5%~4%的纳米铝粉构成的微纳粉芯和质量占整个粉芯丝材70%~72%的铜皮组成，各组分之和为100%。所述微纳复合粉芯最好是以微米锌粉为核、纳米铝粉为壳的核壳结构微纳复合粉体。如图1所示，所述微米锌粉的粒径为50~75μm。所述纳米铝粉的粒径为30~80nm。所述激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材的制备方法，主要包括如下步骤：（1）将按所需配比称量好的微米锌粉和纳米铝粉制成微纳粉；（2）将裁剪好的纯铜带轧制成U型，再向U型槽中加入步骤1制备的微纳粉；（3）将U型槽合口，使微纳粉包裹在其中；（4）通过丝材拉拔装置，将微纳粉芯丝材拉成直径为0.5~2mm的成品。所述纳米铝粉最好制成纳米悬浮液后再与微米粉混合，如图2所示。
实例一。
如图2所示。
一种激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材，按以下步骤制备而成，先将4g纳米铝粉在乙醇中进行分散制备纳米悬浮液，再与26g微米锌粉一起放入球磨机中球磨，然后真空干燥获得微纳复合粉。选用宽度10mm，厚度0.5mm的纯铜带70g，先将其轧成U形，将微纳复合粉加入到U型槽中然后合口，并且通过拉拔装置将其拉成直径为1.5mm的成品粉芯丝材。
在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的CuZnAl合金粉、Cu+Al+Zn复合粉、本发明所述CuZnAl粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能如表1所示。
表1 实例中所述分别采用三种材料增材制造试样的形状记忆性能
所采用的材料 平均晶粒大小（mm） Zn元素含量 100次循环后形状回复率
CuZnAl合金粉 0.53 23.8% 48%
Cu+Al+Zn复合粉 0.38 20.1% 24%
CuZnAl粉芯丝材 0.18 24.9% 67%
实例二。
如图2所示。
一种激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材，按以下步骤制备而成，先将3.5g纳米铝粉（粒径为30-80纳米）在乙醇中进行分散制备纳米悬浮液，再与24.5g微米锌粉（粒径为50-75微米）一起放入球磨机中球磨，然后真空干燥获得微纳复合粉。选用宽度10mm，厚度0.5mm的纯铜带72g，先将其轧成U形，将微纳复合粉加入到U型槽中然后合口，并且通过拉拔装置将其拉成直径为0.5mm的成品粉芯丝材。
在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的CuZnAl合金粉、Cu+Al+Zn复合粉、本发明所述CuZnAl粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能与表1相似。
实例二。
如图2所示。
一种激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材，按以下步骤制备而成，先将3.8g纳米铝粉（粒径为30-80纳米）在乙醇中进行分散制备纳米悬浮液，再与25g微米锌粉（粒径为50-75微米）一起放入球磨机中球磨，然后真空干燥获得微纳复合粉。选用宽度10mm，厚度0.5mm的纯铜带71.2g，先将其轧成U形，将微纳复合粉加入到U型槽中然后合口，并且通过拉拔装置将其拉成直径为2mm的成品粉芯丝材。
在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的CuZnAl合金粉、Cu+Al+Zn复合粉、本发明所述CuZnAl粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能与表1相似。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种激光增材制造用功能低损型CuZnAl微纳粉芯丝材，其特征是其主要由微纳粉和包裹用的铜皮组成，所述的微纳粉由质量占整个微纳粉芯丝材24.5%~26%的微米锌粉与质量占整个微纳粉芯丝材3.5%~4%的纳米铝粉组成，所述铜皮的质量占整个微纳粉芯丝材的70%~72%，各组分之和为100%；微纳粉是以微米锌粉为核、纳米铝粉为壳的核壳结构的微纳复合粉体。
2.根据权利要求1所述的微纳粉芯丝材，其特征是所述微米锌粉的粒径为50~75μm。
3.根据权利要求1所述的微纳粉芯丝材，其特征为所述纳米铝粉的粒径为30~80nm。
4.一种权利要求1所述的微纳粉芯丝材的制备方法，其特征是其包括如下步骤：
（1）将按所需配比称量好的微米锌粉和纳米铝粉制成微纳粉；
（2）将裁剪好的纯铜带轧制成U型，再向U型槽中加入步骤（1）制备的微纳粉；
（3）将U型槽合口，使微纳粉包裹在其中；
（4）通过丝材拉拔装置，将微纳粉芯丝材拉成直径为0.5~2mm的成品。
5.根据权利要求4所述制备方法，其特征是所述纳米铝粉制成纳米悬浮液后再与微米锌粉混合。
6.根据权利要求4所述制备方法，其特征是所述的微纳粉是以微米锌粉为核、纳米铝粉为壳的核壳结构的微纳复合粉体。
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