CN109943749B

CN109943749B - 一种应用于饰品3d打印首模的铜合金球形粉末材料

Info

Publication number: CN109943749B
Application number: CN201711383967.2A
Authority: CN
Inventors: 李晖云; 崔宁
Original assignee: Dongguan Hyper Tech Co ltd
Current assignee: Dongguan Hyper Tech Co ltd
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: CN109943749A

Abstract

本发明属于铜合金技术领域，尤其涉及一种应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料，所述铜合金材料配方包含以下质量百分比的组分：Cu 60%‑85%；Ni 10%‑30%；Sn 0.5‑5%；Al 0.1‑5%；Cr 0.1‑5%。相对于现有技术，本发明的打印工艺性能更好，抗氧化性更优，打印件表面光洁无浮粉，表面粗糙度可降到4Ra/μm以内，无需喷砂即呈现哑光效果金属光泽。同时，采用该材料的打印件具有更好的柔韧性，断后延伸率达到35%±8%，在后续的执模工艺中，该材料呈现出更宽泛灵活的可加工性。

Description

一种应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，尤其涉及一种应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料。

背景技术

在传统首饰加工业中，早期的首模一般都采用蜡模（最早是手雕起版，后来发展到3D打印蜡模起版），如要大规模生产某一型号的首饰制品或者小工艺品，需要将首版蜡模先翻制成铜模；对该铜模进行执模修饰；随后进行下列工序：将执模后的铜模通过翻胶膜，翻蜡模，复制出若干件蜡模；修模，种蜡树、倒石膏模、高温失蜡、精密浇铸再经历一系列后处理工序而获得成品。

随着金属3D打印技术的日臻成熟，饰品行业逐渐趋向于采用铜合金粉末，利用选择性激光熔化（SLM)技术直接打印出铜首模，从而省略掉前面从蜡首模到铜模的过程，缩短了中间流程，降低成本，同时也减少多次翻模对工艺品造成的细节流失。

目前市场上已商业化的铜首模打印原料仅见到CuSn10青铜合金粉这一种材料。CuSn10用于铜首模打印的主要缺点是：该材料打印后脆性大，柔韧性较差；打印出的铜首模在执模过程的剪切、折弯、扭曲、打磨等动作容易造成铜首模局部细巧结构发生断裂破损，使首模报废；同时CuSn10打印出的铜首模表面较为粗糙（粗糙度达到10Ra/μm以上），使得后序执模中的磨抛光工序工作量极大。此外，该材料的抗氧化性也欠佳，在大气环境下放置易变色发黑，在翻胶膜的工况条件下材料氧化问题更为突出。

此外，常规CuSn10材料属于高反射率高导热性的材料，采用SLM（选择性激光熔化技术）工艺进行打印时，需辅以较大激光功率（200-400瓦）才能获得相对理想的打印效果。在高功率打印时，由于输出能量密度高，加上CuSn10材料本身具有反射率高，导热性好的特点，打印时容易发生熔池边界溢出现象，表现为打印件表面凹凸不平，较为粗糙，且在打印过程中激光发生器还存在被反射激光烧毁的风险。

有鉴于此，本发明旨在提供一种应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料，该材料对激光能量的吸收率高，导热性也相对较差，在较低功率下（<120W）即可实现平稳可控的3D打印，并有效改善铜合金打印时易发生熔池边界溢出现象，打印件表面光洁无浮粉，粗糙度降低到4Ra/μm以内，无需喷砂即呈现较优美的金属哑光效果。此外，该材料本身具有较好的抗氧化性，暴露在大气条件下或者在潮湿环境下长期放置也不会发生氧化变色。最为难得的是，该粉末材料打印后具有良好的柔韧性，打印件断裂延伸率达到35%±8% ,比常规CuSn10青铜打印件高30-50%。因此，该合金粉末应用于饰品及工艺品的SLM法3D打印首模领域具有更好的工艺适应性，可取代市场上的CuSn10青铜粉。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，设计了一种应用于饰品3D打印首模的铜合金，并将它制成球形粉末，该铜合金粉末在打印过程中对激光能量的吸收率高，在较低功率下（<120W）即可实现平稳可控的3D打印，打印件表面光洁无浮粉，粗糙度降低到4Ra/μm以内，无需喷砂即呈现金属光泽的哑光效果。由于该材料本身具有较好的抗氧化性，暴露在大气条件下或者在潮湿环境下长期放置也不会发生氧化变色。同时，该粉末材料打印后还具有较好的柔韧性，打印件断裂延伸率达到35%±8% ,比常规CuSn10青铜打印件高30-50%。因此，该合金粉末应用于饰品及工艺品的SLM法3D打印首模领域具有更好的工艺适应性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料，所述材料包括以下质量百分比的组分：

Cu 60%-85%；

Ni 10%-30%；

Sn 0.5-5%；

Al 0.1-5%；

Cr 0.1-5%。

其中，其中Cu和Ni为主组份，Cu-Ni合金属于无限互溶的连续固溶体系，其二元合金本身具有较好的延展性。Ni元素的加入可大幅提高合金材料在激光照射下的吸收率。此外，Cu-Ni二元合金体系中精确设计引入新的微量合金成分（Sn、Al和Cr中的至少一种），其中Sn的添加可以增加合金在熔融态的流动性，有利于获得更高密度的打印件；Al和Cr的添加可提高合金的硬度及提高耐腐蚀性。通过以上几种合金元素的添加组合，可以获得应用于不同细分领域的材料性能。

该发明设计出的合金材料很好地解决了青铜作为3D打印首模材料所固有的弱点。该材料在SLM打印过程中，无需使用较高激光能量密度，在较低功率下即可实现平稳可控的3D打印，打印件表面粗糙度小（表面粗糙度<4Ra/μm)，打印件表面光洁无浮粉，无需喷砂即呈现哑光效果金属光泽。同时该材料具有较好的抗氧化性，长期暴露在大气条件下或者置于潮湿环境下均不会发生氧化变色。同时，该粉末材料打印后还具有较好的柔韧性，打印件断裂延伸率达到35%±8% ,比常规CuSn10青铜打印件高30-50%。该合金粉末应用于饰品及工艺品的SLM法3D打印首模领域具有更好的工艺适应性。

作为本发明应用于饰品3D打印首模的铜合金3D打印粉末的一种改进，本发明所述材料的制备方法至少包括以下步骤：

第一步，将原料按照配比称重并混合，将混合后的原料放在石墨坩埚内，将石墨坩埚置于真空感应熔炼炉内熔炼，并视合金的熔点，将熔体过热100-250℃；

第二步，以惰性气体为介质，对合金熔体进行气雾化制粉，合金熔体被高压惰性气体雾化成为金属液滴，金属液滴在雾化室内飞行凝固的过程中，由于熔滴的表面张力作用而形成球形粉末；

第三步，将第二步获得的球形粉末在惰性气体保护下进行筛分以及精细气流分级，分选出粒径范围在10μm-53μm范围内的粉末，即得应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料。

作为本发明应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料的一种改进，第二步和第三步所述的惰性气体为氮气或氩气。

作为本发明应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料的一种改进，应用于选择性激光熔化（SLM）技术的铜合金球形粉末，优选出其粒度分布为：D10>10μm，D97<53μm，其中位径D50控制在25-28μm。

作为本发明应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料的一种改进，第二步所述的气雾化制粉时的雾化压力为0.1MPa-1.0MPa范围。

相对于现有技术，本发明提供了一种全新3D打印合金材料的配方，应用于饰品3D打印首模领域，其3D打印工艺性能更好，抗氧化性更优，打印件表面粗糙度降低至4Ra/μm以内，打印件表面光洁无浮粉，无需喷砂即呈现哑光效果金属光泽。同时，采用该材料的打印件具有更好的柔韧性，断裂延伸率更高，在后续的执模工艺中，呈现出更宽泛灵活的可加工性。

附图说明

图1为本发明的SEM图。

具体实施方式

以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

本实施例提供了一种应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料，所述材料包括以下质量百分比的组分：

Cu 84%；

Ni 15%；

Al 0.8%。

Sn 0.1%；

Cr 0.1%；

该材料的制备方法至少包括以下步骤：

第一步，将原料按照配比称重并混合，将混合后的原料放在石墨坩埚内，将石墨坩埚置于真空感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为1320℃；

第二步，以氮气为介质，对合金熔体进行气雾化制粉，雾化压力为0.55MPa，合金熔体被高压氮气雾化成为金属液滴，金属液滴在雾化室内飞行凝固的过程中，由于熔滴的表面张力作用而形成球形粉末；

第三步，将第二步获得的球形粉末在氮气保护下进行筛分以及气流分级，分选出粒径范围在10μm-53μm范围内的粉末，所述粉末材料的粒径分布为：D10为11μm，D97为52μm，即得应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料。该材料的SEM如图1所示，由图1可以看出，其球形度良好。

将该材料用SLM设备进行打印，优化打印工艺后（打印功率110-120W）打印密度为98.5%，打印件表面粗糙度4-5Ra/μm，打印件表面光洁无浮粉，呈现银白色哑光效果金属光泽，测得该材料断裂延伸率平均值为30.5%。该材料打印件在加湿空气中放置30天不变色。

实施例2

Cu 75%；

Ni 20%；

Cr 0.8%；

Sn 4%。

Al 0.2%。

该材料的制备方法至少包括以下步骤：

第一步，将原料按照配比称重并混合，将混合后的原料放在石墨坩埚内，将石墨坩埚置于真空感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为1280℃；

第二步，以氩气为介质，对合金熔体进行气雾化制粉，雾化压力为0.55MPa，合金熔体被高压氩气雾化成为金属液滴，金属液滴在雾化室内飞行凝固的过程中，由于熔滴的表面张力作用而形成球形粉末；

第三步，将第二步获得的球形粉末在氩气保护下进行筛分以及气流分级，分选出粒径范围在10μm-53μm范围内的粉末，所述粉末材料的粒径分布为：D10为12μm，D97为51μm。即得应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料。

将该材料用SLM设备进行打印，优化打印工艺后（打印功率110-120W）打印密度可达98.9%，打印件表面粗糙度3-5Ra/μm，打印件表面光洁无浮粉，呈现银白色哑光效果金属光泽，测得该材料断裂延伸率平均值为33.5%。该材料打印件在加湿空气中放置30天不变色。

实施例3

Cu 80%；

Ni 16%；

Sn 2.5%；

Al 0.8%；

Cr 0.7%；

该材料的制备方法至少包括以下步骤：

第一步，将原料按照配比称重并混合，将混合后的原料放在石墨坩埚内，将石墨坩埚置于真空感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为1300℃；

第二步，以氮气为介质，对合金熔体进行气雾化制粉，雾化压力为0.5MPa，合金熔体被高压氮气雾化成为金属液滴，金属液滴在雾化室内飞行凝固的过程中，由于熔滴的表面张力作用而形成球形粉末；

第三步，将第二步获得的球形粉末在氮气保护下进行筛分以及气流分级，分选出粒径范围在10μm-53μm范围内的粉末，所述粉末材料的粒径分布为：D10为10.5μm，D97为51.5μm。即得应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料。

将该材料用SLM设备进行打印，优化打印工艺后（打印功率110-120W）打印密度达97.8%，打印件表面粗糙度4-5Ra/μm，打印件表面光洁无浮粉，呈现银白色哑光效果金属光泽，测得该材料断裂延伸率平均值为26.5%。该材料打印件在加湿空气中放置30天不变色。

实施例4

Cu 74%；

Ni 20%；

Sn 2%；

Al 2%；

Cr 2%。

该材料的制备方法至少包括以下步骤：

第一步，将原料按照配比称重并混合，将混合后的原料放在石墨坩埚内，将石墨坩埚置于真空感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为1270℃；

第二步，以氮气为介质，对合金熔体进行气雾化制粉，雾化压力为0.45MPa，合金熔体被高压氮气雾化成为金属液滴，金属液滴在雾化室内飞行凝固的过程中，由于熔滴的表面张力作用而形成球形粉末；

第三步，将第二步获得的球形粉末在氮气保护下进行筛分以及气流分级，分选出粒径范围在10μm-53μm范围内的粉末，所述粉末材料的粒径分布为：D10为12.5μm，D97为52.5μm。即得应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料。

将该材料用SLM设备进行打印，优化打印工艺后（打印功率120-140W）打印密度可达98.3%，打印件表面粗糙度5-6Ra/μm，打印件表面光洁无浮粉，呈现银白色哑光效果金属光泽，测得该材料断裂延伸率平均值为29.5%。该材料打印件在加湿空气中放置30天不变色。

实施例5

Cu 72%；

Ni 23%；

Sn 4%；

Al 0.5%；

Cr 0.5%。

该材料的制备方法至少包括以下步骤：

第一步，将原料按照配比称重并混合，将混合后的原料放在石墨坩埚内，将石墨坩埚置于真空感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为1260℃；

第二步，以氩气为介质，对合金熔体进行气雾化制粉，雾化压力为0.3MPa，合金熔体被高压氩气雾化成为金属液滴，金属液滴在雾化室内飞行凝固的过程中，由于熔滴的表面张力作用而形成球形粉末；

第三步，将第二步获得的球形粉末在氩气保护下进行筛分以及气流分级，分级过程中应避免制得的粉末长时间与空气接触发生氧化；分选出粒径范围在10μm-53μm范围内的粉末，所述粉末材料的粒径分布为：D10为12.1μm，D97为51.8μm。即得应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料。

将该材料用SLM设备进行打印，优化打印工艺后（打印功率110-120W）打印密度可达99.0%，打印件表面粗糙度4-5Ra/μm，打印件表面光洁无浮粉，呈现银白色哑光效果金属光泽，测得该材料断裂延伸率平均值为38.5%。该材料打印件在加湿空气中放置30天不变色。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的配方范围内相关合金元素配比变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.一种应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料，其特征在于，所述铜合金材料配方包含以下质量百分比的组分：

Cu 60％-85％；

Ni 10％-30％；

Sn 0.5-5％；

Al 0.1-5％；

Cr 0.1-5％；

所述材料的制备方法包括以下步骤：

第三步，将第二步获得的球形粉末在惰性气体保护下进行筛分以及精细的气流分级，分选出粒径范围在10μm-53μm范围内的粉末，即得应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料。

2.根据权利要求1所述的应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料，其特征在于，第二步和第三步所述的惰性气体为氮气或氩气。

3.根据权利要求1所述的应用于饰品3D打印首模的铜合金球形粉末材料，其特征在于，第二步所述的气雾化制粉时的雾化压力为0.1MPa-1.0MPa。

4.根据权利要求1所述的应用于饰品3D打印首模的铜合金粉末材料，其特征在于，所述粉末材料的粒径分布为：D10>10μm，D97<53μm。