CN110125407A - 含钨铜合金层的层状铜电极及其增材制造装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含钨铜合金层的层状铜电极，包括层状铜电极本体，其特征在于，所述层状铜电极本体包括多层采用纯铜或铜合金材料制造而成的铜层，在相邻的两层铜层之间设有采用钨铜合金材料制造而成的钨铜合金层，所述钨铜合金材料中含钨量为10％‑95％，所述钨铜合金层的体积占层状铜电极本体的1％‑60％，所述钨铜合金层的厚度为50微米‑1500微米。本发明的有益效果在于：1.层状铜电极中的钨铜合金层可以提高电极的耐热和耐磨性能；2.层状铜电极中的纯铜或铜合金层可以保证电极有良好的导电和导热性；3.本方法可以打印具有复杂内部冷却流道的铜电极，加速电极散热；4.设置在第一、二微细喷头上的微型超声波发生装置可以使得铺放材料更加致密。
Description
技术领域
本发明涉及铜电极生产制造技术领域，特别涉及到一种含钨铜合金层的层状铜电极及其增材制造装置和方法。
背景技术
熔融沉积(Fused Deposition Modeling，FDM)打印技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时利用三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层，直至形成整个实体造型。
金属注射成型(Metal Injection Molding，MIM)是一种适于生产小型、三维复杂形状以及具有特殊性能要求制品的近净成形工艺。基本工艺过程是：将金属粉末与粘结剂，制成具有流变特性的混合材料，通过注射机注入模具型腔成型出层状铜电极材料毛坯，毛坯件经过脱除粘结剂和高温烧结后，即可得到各种金属零部件。
中国专利CN201610049655.7公布了一种使用高能束流制造铜钨功能梯度材料电触头的方法，能够成形钨含量随成形高度呈梯度变化的材料，但是使用高能束流如激光束、离子束、电子束为热源，需要在惰性气体氛围中进行，能量耗费较多，设备成本较高。
中国专利申请CN201910049059提出了一种梯度功能钨铜材料电触头的制造方法，制造出触头与触杆使用不同材料分布的电触头以改善电触头耐点烧蚀性能和导电导热性能。但在此发明的制造过程中需要制造陶瓷模具以及进行铜合金的浇铸，制造方法相对复杂。
金属MIM 3D FDM打印是将金属材料与粘结剂预先制成颗粒状或者丝材，通过3D打印机直接打印成型为毛胚，再经过脱脂和烧结得到金属产品，然而，此种传统的MIM 3D FDM打印技术存在无法打印由多种金属构成的复杂几何部件，且原料挤出过程中会存在致密度不足的问题。
另一方面，由于铜的导电性能较好，所以经常被用作电极材料，现有技术的铜电极绝大部分通过单一的铜合金或纯铜材料制造而成，此种单一材料的铜电极，虽然确保了导电性能，但电极的耐高温以及耐磨性能较差，电极的使用寿命较短，影响了铜电极的工业应用。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明目的提供了一种设计合理、结构简单、操作方便、不但能够确保铜电极的导电性能，并且还有效的提高了铜电极的耐高温以及耐磨性能，有效的延长了铜电极的使用寿命的含钨铜合金层的层状铜电极及其增材制造装置和方法。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案来实现的：
一种含钨铜合金层的层状铜电极，包括层状铜电极本体，其特征在于，所述层状铜电极本体包括多层采用纯铜或铜合金材料制造而成的铜层，在相邻的两层铜层之间设有采用钨铜合金材料制造而成的钨铜合金层。
在本发明的一个优选实施例中，所述钨铜合金材料中含钨量为10％-95％，所述钨铜合金层的体积占层状铜电极本体的1％-60％，所述钨铜合金层的厚度为50微米-1500微米。
在本发明的一个优选实施例中，所述层状铜电极本体包括相互平行分布的三层铜层和两层钨铜合金层，所述钨铜合金层设置在相邻的两层铜层之间，两层钨铜合金层的体积占层状铜电极本体的50％；
所述钨铜合金材料中含钨量为70％，所述铜层的厚度为800微米，所述钨铜合金层的厚度为1200微米，在所述钨铜合金层上开设有多个导通孔，在所述导通孔内填充有能够确保相邻的两层铜层能够相互导通的纯铜或铜合金材料。
在本发明的一个优选实施例中，所述导通孔为直径为50微米-2000微米的圆形孔或方形孔。
在本发明的一个优选实施例中，所述层状铜电极本体包括同轴的三层铜层和两层钨铜合金层，所述钨铜合金层设置在相邻的两层铜层之间，两层钨铜合金层的体积占层状铜电极本体的50％；
所述钨铜合金材料中含钨量为70％，所述铜层的厚度为800微米，所述钨铜合金层的厚度为1200微米，在所述钨铜合金层上开设有多个导通孔，在所述导通孔内填充有能够确保相邻的两层铜层能够相互导通的纯铜或铜合金材料。
在本发明的一个优选实施例中，所述导通孔为直径为50微米-2000微米的圆形孔或方形孔。
本发明还提供了一种含钨铜合金层的层状铜电极的增材制造装置，该增材制造装置用于制造上述的层状铜电极，其特征在于，包括设置在工作台上的打印腔室，在所述打印腔室内部设有基板，在所述基板的上方并列设有用于进行打印的第一微细喷头和第二微细喷头；
在所述第一微细喷头和第二微细喷头上分别安装有用于提高所打印的材料的致密度的微型超声波发生装置，所述微型超声波发生装置的频率为20-50千赫兹。
本发明还提供了一种含钨铜合金层的层状铜电极的制造方法，该制造方法采用上述制造装置对层状铜电极进行制造，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将用于制造层状铜电极的三维模型文件导入制造装置内；
S2.根据打印位置所对应材料的情况，纯铜或铜合金粉末通过制造装置的第一微细喷头打印至设置的位置形成铜层，第一微细喷头在打印铜层时，设置在其上部的微型超声波发生装置的振幅为5-50微米，钨铜混合粉末通过制造装置的第二微细喷头打印至设置的位置形成钨铜合金层，第二微细喷头在打印钨铜合金层时，设置在其上部的微型超声波发生装置的振幅为15-100微米；
S3.打印完成后，将层状铜电极材料连同基板放入加热装置进行加热，去除有机粘结剂；
S4.去除有机粘结剂之后，再将层状铜电极材料在惰性气体的保护下加热进行烧结，保温2小时；
S5.烧结完成后，将层状铜电极材料冷却至室温，使用线切割将层状铜电极材料从制造装置的基板上切割下；
S6.最后将通过上述步骤获得的层状电极材料加工成所需的电极形状即可。
在本发明的一个优选实施例中，所述钨铜混合粉末与纯铜或铜合金粉末中含有有机粘接剂。
在本发明的一个优选实施例中，所述S3的加热温度为150-500℃。
在本发明的一个优选实施例中，所述S3的加热温度为400℃。
在本发明的一个优选实施例中，所述S4的烧结温度为1000-1500℃。
在本发明的一个优选实施例中，所述S4的烧结温度为1200℃。
与现有技术相比，本发明多层采用纯铜或铜合金材料制造而成的铜层，在相邻的两层铜层之间设有采用钨铜合金材料制造而成的钨铜合金层，通过铜层与钨铜合金层有效的结合，其有益效果在于：1.层状铜电极中的钨铜合金层可以提高电极的耐热和耐磨性能；2.层状铜电极中的纯铜或铜合金层可以保证电极有良好的导电和导热性；3.本方法可以打印具有复杂内部冷却流道的铜电极，加速电极散热；4.设置在第一、二微细喷头上的微型超声波发生装置可以使得铺放材料更加致密。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的结构示意图。
图2为本发明实施例一钨铜合金层的结构示意图。
图3为本发明实施例二的结构示意图。
图4为本发明实施例二钨铜合金层的结构示意图。
图5为本发明用于打印层状电极材料的制造装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参照图1和图2所示，图中给出了实施例一的一种含钨铜合金层的层状铜电极，包括层状铜电极本体。
层状铜电极本体包括多层采用纯铜或铜合金材料制造而成的铜层，在相邻的两层铜层之间设有采用钨铜合金材料制造而成的钨铜合金层，钨铜合金材料中含钨量为10％-95％，钨铜合金层的体积占层状铜电极本体的1％-60％，钨铜合金层的厚度为50微米-1500微米。
层状铜电极本体100包括相互平行分布的三层铜层110和两层钨铜合金层120，钨铜合金层120设置在相邻的两层铜层110之间，两层钨铜合金层120的体积占层状铜电极本体100的50％。
钨铜合金材料中含钨量为70％，铜层110的厚度为800微米，钨铜合金层120的厚度为1200微米，在钨铜合金层120上开设有多个导通孔121，在导通孔121内填充有能够确保相邻的两层铜层110能够相互导通的纯铜或铜合金材料。
导通孔121为直径为50微米-2000微米的圆形孔或方形孔，在本实施例中导通孔121为直径为800微米的圆形孔，导通孔121还可以为椭圆形、三角形等形状，导通孔121的具体尺寸以及形状可以根据具体情况而定。
参照图3和图4所示，图中出给了实施例二的一种含钨铜合金层的层状铜电极，层状铜电极本体100a包括同轴的三层铜层110a和两层钨铜合金层120a，钨铜合金层120a设置在相邻的两层铜层110a之间，两层钨铜合金层120a的体积占层状铜电极本体100a的50％。
钨铜合金材料中含钨量为70％，铜层110a的厚度为800微米，钨铜合金层120a的厚度为1200微米，在钨铜合金层120a上开设有多个导通孔121a，在导通孔121a内填充有能够确保相邻的两层铜层110a能够相互导通的纯铜或铜合金材料。
导通孔121a为直径为50微米-2000微米的圆形孔或方形孔，在本实施例中导通孔121a为直径为800微米的圆形孔，导通孔121a还可以为椭圆形、三角形等形状，导通孔121a的具体尺寸以及形状可以根据具体情况而定。
参照图5所示，图中给出了一种含钨铜合金层的层状铜电极的增材制造装置，该增材制造装置200用于制造上述的层状铜电极，包括设置在工作台上的打印腔室210，在打印腔室210内部设有基板211，在基板211的上方并列设有用于进行打印的第一微细喷头220和第二微细喷头230。
在第一微细喷头220和第二微细喷头230上分别安装有用于提高所打印的材料的致密度的微型超声波发生装置221、231，微型超声波发生装置221、231的频率为20-50千赫兹，微型超声波发生装置221、231可以使得铺放材料更加致密。
本发明还提供了一种含钨铜合金层的层状铜电极的制造方法，该制造方法用于制造上述的层状铜电极，包括如下步骤：
S1.将用于制造层状铜电极的三维模型文件导入增材制造装置200内；
S2.根据打印位置所对应材料的情况，纯铜或铜合金粉末通过制造装置200的第一微细喷头220打印至设置的位置形成铜层，第一微细喷头220在打印铜层时，设置在其上部的微型超声波发生装置221的振幅为5-50微米，钨铜混合粉末通过制造装置200的第二微细喷头230打印至设置的位置形成钨铜合金层，第二微细喷头230在打印钨铜合金层时，设置在其上部的微型超声波发生装置231的振幅为15-100微米，在本实施例中先通过第一微细喷头220打印铜层，再通过第二微细喷头230打印钨铜合金层，以此循环；
第一个循环，根据打印位置所对应材料的情况，调用第一微细喷头220打印喷出直径为10-100微米的纯铜或铜合金粉末，并使用微型超声波发生装置221帮助致密地铺放纯铜或铜合金粉末，纯铜或铜合金粉末中含有有机粘结剂。
当铜层打印至设定的厚度后，转换至第二微细喷头230进行打印，第二微细喷头230喷出直径为10-100微米的钨铜合金粉末，并使用微型超声波发生装置231帮助致密地铺放钨铜合金粉末，钨铜合金粉末中含有有机粘结剂。
当钨铜合金层打印至设定的厚度后，重复上述第一个循环，直到整个层状铜电极材料打印完毕为止。
S3.打印完成后，将层状铜电极材料连同基板211放入加热装置进行加热，去除有机粘结剂，加热温度为150-500℃，在本实施例中加热温度为400℃。
S4.去除有机粘结剂之后，再将层状铜电极材料在惰性气体的保护下加热进行烧结，保温2小时，烧结温度为1000-1500℃，在本实施例中烧结温度为1200℃。
S5.烧结完成后，将层状铜电极材料冷却至室温，使用线切割将层状铜电极材料从制造装置的基板上切割下；
S6.最后将通过上述步骤获得的层状电极材料加工成所需的前段为圆锥状的电极。
综上所述本发明多层采用纯铜或铜合金材料制造而成的铜层，在相邻的两层铜层之间设有采用钨铜合金材料制造而成的钨铜合金层，通过铜层与钨铜合金层有效的结合，其有益效果在于：1.层状铜电极中的钨铜合金层可以提高电极的耐热和耐磨性能；2.层状铜电极中的纯铜或铜合金层可以保证电极有良好的导电和导热性；3.本方法可以打印具有复杂内部冷却流道的铜电极，加速电极散热；4.设置在第一、二微细喷头上的微型超声波发生装置可以使得铺放材料更加致密。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (13)
1.一种含钨铜合金层的层状铜电极，包括层状铜电极本体，其特征在于，所述层状铜电极本体包括多层采用纯铜或铜合金材料制造而成的铜层，在相邻的两层铜层之间设有采用钨铜合金材料制造而成的钨铜合金层。
2.根据权利要求书1所述的一种含钨铜合金层的层状铜电极，其特征在于：所述钨铜合金材料中含钨量为10％-95％，所述钨铜合金层的体积占层状铜电极本体的1％-60％，所述钨铜合金层的厚度为50微米-1500微米。
3.根据权利要求书2所述的一种含钨铜合金层的层状铜电极，其特征在于：所述层状铜电极本体包括相互平行分布的三层铜层和两层钨铜合金层，所述钨铜合金层设置在相邻的两层铜层之间，两层钨铜合金层的体积占层状铜电极本体的50％；
所述钨铜合金材料中含钨量为70％，所述铜层的厚度为800微米，所述钨铜合金层的厚度为1200微米，在所述钨铜合金层上开设有多个导通孔，在所述导通孔内填充有能够确保相邻的两层铜层能够相互导通的纯铜或铜合金材料。
4.根据权利要求书3所述的一种含钨铜合金层的层状铜电极，其特征在于：所述导通孔为直径为50微米-2000微米的圆形孔或方形孔。
5.根据权利要求书2所述的一种含钨铜合金层的层状铜电极，其特征在于：所述层状铜电极本体包括同轴的三层铜层和两层钨铜合金层，所述钨铜合金层设置在相邻的两层铜层之间，两层钨铜合金层的体积占层状铜电极本体的50％；
所述钨铜合金材料中含钨量为70％，所述铜层的厚度为800微米，所述钨铜合金层的厚度为1200微米，在所述钨铜合金层上开设有多个导通孔，在所述导通孔内填充有能够确保相邻的两层铜层能够相互导通的纯铜或铜合金材料。
6.据权利要求书5述的一种含钨铜合金层的层状铜电极，其特征在于：所述导通孔为直径为50微米-2000微米的圆形孔或方形孔。
7.一种含钨铜合金层的层状铜电极的增材制造装置，该增材制造装置用于制造如权利要求书1-6任意一项所述的含钨铜合金层的层状铜电极，其特征在于，包括设置在工作台上的打印腔室，在所述打印腔室内部设有基板，在所述基板的上方并列设有用于进行打印的第一微细喷头和第二微细喷头；
在所述第一微细喷头和第二微细喷头上分别安装有用于提高所打印的材料的致密度的微型超声波发生装置，所述微型超声波发生装置的频率为20-50千赫兹。
8.一种含钨铜合金层的层状铜电极的制造方法，该制造方法采用如权利要求书7所述的含钨铜合金层的层状铜电极的制造装置对层状铜电极进行制造，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将用于制造层状铜电极的三维模型文件导入制造装置内；
S2.根据打印位置所对应材料的情况，纯铜或铜合金粉末通过制造装置的第一微细喷头打印至设置的位置形成铜层，第一微细喷头在打印铜层时，设置在其上部的微型超声波发生装置的振幅为5-50微米，钨铜混合粉末通过制造装置的第二微细喷头打印至设置的位置形成钨铜合金层，第二微细喷头在打印钨铜合金层时，设置在其上部的微型超声波发生装置的振幅为15-100微米；
S3.打印完成后，将层状铜电极材料连同基板放入加热装置进行加热，去除有机粘结剂；
S4.去除有机粘结剂之后，再将层状铜电极材料在惰性气体的保护下加热进行烧结，保温2小时；
S5.烧结完成后，将层状铜电极材料冷却至室温，使用线切割将层状铜电极材料从制造装置的基板上切割下；
S6.最后将通过上述步骤获得的层状电极材料加工成所需的电极形状即可。
9.权利要求书8述的一种含钨铜合金层的层状铜电极的制造方法，其特征在于：所述钨铜混合粉末与纯铜或铜合金粉末中含有有机粘接剂。
10.权利要求书8述的一种含钨铜合金层的层状铜电极的制造方法，其特征在于：所述S3的加热温度为150-500℃。
11.权利要求书10述的一种含钨铜合金层的层状铜电极的制造方法，其特征在于：所述S3的加热温度为400℃。
12.权利要求书8述的一种含钨铜合金层的层状铜电极的制造方法，其特征在于：所述S4的烧结温度为1000-1500℃。
13.权利要求书12述的一种含钨铜合金层的层状铜电极的制造方法，其特征在于：所述S4的烧结温度为1200℃。
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