CN109202081B - 基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法，包括以下步骤：将得到的STL格式文件导入成形机的快速成形软件中。预先在成形平台上铺展一层铜合金粉末，电子束预热基板和粉床。熔化轮廓，电子束点化式扫描边界。熔化截面，电子束线性扫描截面束流值由5.5mA随时间递增式至7mA扫描。重复前述过程，直至铜合金零件的制造完成。本发明的基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法是采用铺粉式电子束选区熔化的增材制造技术，由于在熔化前电子束对基板和粉床的预热和束流的递增式扫面方式，有效的减少了成形过程的残余应力引起的翘曲和组织不致密，避免了形件的过热或球化等现象，从而实现了铜合金的优质、高效增材制造。

Description

基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种增材制造方法，具体涉及一种基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法。
背景技术
目前铜或铜合金的制品或零件主要采用铸造或机加工的方式制造。铸造方法使用的模具成本高、工艺工程难控制易产生组织缺陷，影响其寿命；而机械加工方法尽管加工精度高，但存在材料利用率低、工序繁多复杂、生产周期长、制造成本高等问题。因此，对于复杂零部件，目前两种制造工艺都无法满足新品快速研制及批量生产的进度要求。
金属增材制造技术是在CAD软件驱动下，利用热源熔化金属材料，逐层沉积叠加形成部件的方法，具有生产周期短、成本低、节省材料、制造速度快、受部件集合形状影响小等优点，已成为快速制造金属零部件越来越有吸引力的解决方案，适合铜合金制品/零件的快速成型以及零件的修复。
在金属增材制造过程中，熔化的金属材料主要分为粉末状和丝材状。相对于后者，前者材料粉末回收利用高、成型过程在密封式环境中不被氧化、成形精度高、且组织致密性好，因此受到人们越来越多的重视。
而增材制造中采用的热源主要有电子束、激光、电弧等。其中电弧热源作用面积大且制造成本低，适应于丝材，但电弧能量密度低、热流分布可控制差、热影响区较大、且电弧形态受其运行速度限制较大，热源移动慢；而激光由于能量密度低，对大部分材料反射、无真空易氧化等条件。电子束热源由于功率大、作用深度大、对材料几乎无反射利用率高、束斑小精度高等优点，成为目前新型热源。
电子束选区熔化(Electron Beam selective Melting，EBSM)是典型的增材制造工艺，在复杂结构和特殊材料的三维成形方面具有很大的优势。电子束选区熔化工艺采用高能电子束作为热源，逐层烧结或熔化粉末材料，使材料逐层堆积成形。
例如中国专利文献CN 102941343B（申请号 201210467106.3）公开了一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，先用三维造型软件建立需要制造的钛铝合金复杂零件的三维实 体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成厚度为0.05mm～0.3mm的薄层，得到STL格式文件，再将得到的STL格式文件导入电子束快速成 形机的快速成形软件中。
然后将钛铝合金粉末装入步骤一中导入STL格式文件的电子束快速成形机的送粉箱中，以一定的铺粉厚度平铺于铺粉台上，输入扫描参数，在真空条件下根据输入的扫描参数和步骤一所导入的STL格式文件对钛 铝合金粉末进行逐层扫描烧结，烧结结束后得到钛铝合金复杂零件；所述扫描烧结过程包括热量补偿过程和成形过程；所述热量补偿过程中的扫描参数为：束流强度为20mA～40mA，电子束扫描速度为5000mm/s～ 7000mm/s，温度控制在800℃～1200℃；所述成形过程中的扫描参数为：束流电流为10mA～20mA，电子束扫描速度为80mm/s～120mm/s，成形域上表面温度为1250℃～1700℃。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成形过程稳定、致密性高、质量较高的基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法。
实现本发明目的的技术方案是 一种基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
①利用CAD建立铜合金立方体的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成薄片，得到STL格式文件，再将得到的STL格式文件导入电子束快速成形机的快速成形软件中。
②开启电源，归零所有数据，调整成型平台，并用工艺粉填满。
③将擦拭干净的基板放置于成型平台工艺粉末的中央，并与热电偶贴合；调试底板，并关紧成型室仓门，抽真空。
④开启电子束电源，载高压、电流后，加载需打印模型，选取相应界面参数。
⑤预先在成形平台上铺展一层铜合金粉末，电子束预热基板和粉床。
⑥熔化轮廓，电子束点化式扫描边界。
⑦熔化截面，电子束线性扫描截面束流值由5.5mA随时间递增式至7mA扫描。
⑧扫描方向转90°；成形平台下降一个铺粉厚度。
⑨重复步骤⑤至⑧过程，直至铜合金零件的制造完成。
步骤①利用CAD建立铜合金立方体的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成0.50～0.85mm的薄片。
步骤③中抽真空至10-2Pa。
步骤⑤中铺粉厚度为粉末颗粒的平均粒径。
步骤⑤中电子束由计算机控制按照CAD中零件二维横截面参数，在磁偏转线圈的磁场驱使下快速移动、扫描，预热基板和粉床，预热粉床温度为粉末材料熔点的一半。
步骤⑤中预热时束流值为16±2mA，预热时间60～80s。
步骤⑥熔化轮廓时，束流值为4±0.5mA。
步骤⑦熔化截面时，递增速度0.2mA/s～0.4mA/s。
本发明具有积极的效果：（1）本发明的基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法是采用铺粉式电子束选区熔化的增材制造技术，由于在熔化前电子束对基板和粉床的预热和束流的递增式扫面方式，有效的减少了成形过程的残余应力引起的翘曲和组织不致密，避免了形件的过热或球化等现象，从而实现了铜合金的优质、高效增材制造。
（2）本发明的制备方法，是针对于铜合金材料，将高能电子束热源和铺粉式，以及电子束的预热板块和熔化截面的束流递增式扫描方式的相结合，通过电子束的热源的电子高速击打在金属表面，将动能转化成热能来熔化金属形成熔池，这种热源不仅能量高，穿透能力强，效率高，更大优势是铜合金对电子束无反射，能量利用率高。铺粉式选区熔化方式在真空环境下，避免成形氧化和夹渣等缺陷，从而提高致密度。以上所有设定使得成形过程稳定，成形良好，增材质量较高，加工效率也明显提升。
附图说明
图1为实施例1制造的Cu-10Al-4Fe合金的微观组织图。
图2从左至右分别为实施例1至实施例4制备的四个试样实物图。
具体实施方式
（实施例1）
本实施例制备的是Cu-10Al-4Fe铜合金立方体，基于电子束铺粉成形的制备方法包括以下步骤：
①利用CAD建立Cu-10Al-4Fe合金立方体的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成厚度为0.75mm的薄片，得到STL格式文件，再将得到的STL格式文件导入电子束快速成形机的快速成形软件中。
②开启电源，归零所有数据，检查粉料箱是否有足够的Cu-10Al-4Fe合金粉末。调整成型平台，并用工艺粉填满。成型平台距离刮片底端30～35mm，约为基板厚度。
③将擦拭干净的基板放置于成型平台工艺粉末的中央，并与热电偶贴合；调试底板，取料铺平粉床，最后用吸尘器将基板上的粉末吸干净，并关紧成型室仓门，抽真空至10- 2Pa。
④开启电子束电源，载高压、电流后，加载需打印模型，选取相应界面参数：扫描间距0.15mm，扫描速度为1m/s。
⑤预先在成形平台上铺展一层铜合金粉末，厚度为粉末颗粒的平均粒径（本实施例中为75μm）。电子束由计算机控制按照CAD中零件二维横截面参数，在磁偏转线圈的磁场驱使下快速移动、扫描，预热基板和粉床，预热时束流值为16±2mA（本实施例中为16mA），扫描间距为1mm，预热时间60～80s（本实施例中为70s)，预热粉床温度为700℃左右（约为材料熔点的一半）。
⑥熔化轮廓，电子束点化式扫描边界；此时束流值为4mA，电压为60kV，即功率为240kW。
⑦熔化截面，电子束线性扫描截面束流值由5.5mA（330kW）随时间递增式至7mA（420kW）扫描，递增速度0.2mA/s～0.4mA/s（本实施例中为0.3 mA/s）。
⑧扫描方向转90°；成形平台下降一个铺粉厚度。
⑨重复步骤⑤至⑧过程，直至铜合金零件的制造完成，共成形120层。成形后根据要求进行少量的尺寸精度机加工，及后续的应力处理。本实施例制造的Cu-10Al-4Fe合金的微观组织图见图1，由图1可以看到，铜合金增材组织致密性非常高。
（实施例2）
本实施例的基于电子束铺粉成形的制备方法其余与实施例1相同，不同之处在于：
步骤①中，利用CAD建立Cu-10Al-4Fe合金立方体的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成厚度为0.50mm的薄片，得到STL格式文件。
步骤⑦熔化截面时，电子束线性扫描截面束流值由5.5mA（330kW）随时间递增式至7mA（420kW）扫描，递增速度0.2mA/s。
（实施例3）
本实施例的基于电子束铺粉成形的制备方法其余与实施例1相同，不同之处在于：
步骤①中，利用CAD建立Cu-10Al-4Fe合金立方体的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成厚度为0.60mm的薄片，得到STL格式文件。
步骤⑦熔化截面时，电子束线性扫描截面束流值由5.5mA（330kW）随时间递增式至7mA（420kW）扫描，递增速度0.3mA/s。
（实施例4）
本实施例的基于电子束铺粉成形的制备方法其余与实施例1相同，不同之处在于：
步骤①中，利用CAD建立Cu-10Al-4Fe合金立方体的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成厚度为0.85mm的薄片，得到STL格式文件。
步骤⑦熔化截面时，电子束线性扫描截面束流值由5.5mA（330kW）随时间递增式至7mA（420kW）扫描，递增速度0.4mA/s。
实施例1至4制得的铜合金增材试样的实物照片见图2。
上面介绍的是本发明的多个可能实施例中的几个，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

Claims (8)

1.一种基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
①利用CAD建立铜合金立方体的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成薄片，得到STL格式文件，再将得到的STL格式文件导入电子束快速成形机的快速成形软件中；
②开启电源，归零所有数据，调整成型平台，并用工艺粉填满；
③将擦拭干净的基板放置于成型平台工艺粉末的中央，并与热电偶贴合；调试底板，并关紧成型室仓门，抽真空；
④开启电子束电源，载高压、电流后，加载需打印模型，选取相应界面参数；
⑤预先在成形平台上铺展一层铜合金粉末，电子束预热基板和粉床；
⑥熔化轮廓，电子束点化式扫描边界；
⑦熔化截面，电子束线性扫描截面束流值由5.5mA随时间递增式至7mA扫描；
⑧扫描方向转90°；成形平台下降一个铺粉厚度；
⑨重复步骤⑤至⑧过程，直至铜合金零件的制造完成。
2.根据权利要求1所述的基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法，其特征在于：步骤①利用CAD建立铜合金立方体的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成0.50～0.85mm的薄片。
3.根据权利要求1所述的基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法，其特征在于：步骤③中抽真空至10-2Pa。
4.根据权利要求1所述的基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法，其特征在于：步骤⑤中铺粉厚度为粉末颗粒的平均粒径。
5.根据权利要求1所述的基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法，其特征在于：步骤⑤中电子束由计算机控制按照CAD中零件二维横截面参数，在磁偏转线圈的磁场驱使下快速移动、扫描，预热基板和粉床，预热粉床温度为粉末材料熔点的一半。
6.根据权利要求5所述的基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法，其特征在于：步骤⑤中预热时束流值为16±2mA，预热时间60～80s。
7.根据权利要求1所述的基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法，其特征在于：步骤⑥熔化轮廓时，束流值为4±0.5mA。
8.根据权利要求1所述的基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法，其特征在于：步骤⑦熔化截面时，递增速度0.2mA/s～0.4mA/s。
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