CN111360254B - 一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法 - Google Patents

一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法，具体包括：原材料的预处理：将球形钨粉和雾化铜粉按照质量比9:1的比例称量后混合得到预处理后的原材料，备用；3D胚磨的制备：将预处理后的原材料采用激光3D打印成所需要的复杂零件的3D胚磨；3D胚磨的真空烧结：对复杂零件的3D胚磨进行真空烧结制备得到CuW90材料；本发明提出的制造方法，能够有效地解决CuW90零件的复杂形状，能够对机械无法加工的CuW90材料的零件进行制造，有效地弥补了行业的空缺；采用本发明制造方法制备的零件均可达到CuW90性能指标，能够达到96.5％以上的致密度。

Description

一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法
技术领域
本发明涉及CuW90材料的制备工艺技术领域，具体涉及一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法。
背景技术
钨铜合金是钨和铜组成的合金。常用合金的含铜量为10％～50％。合金用粉末冶金方法制取，具有很好的导电导热性，较好的高温强度和一定的塑性。在很高的温度下，如3000℃以上，合金中的铜被液化蒸发，大量吸收热量，降低材料表面温度。所以这类材料也称为金属发汗材料。铜钨主要具有CuW70、CuW75、CuW90等系列型号产品。
CuW90材料应用非常广泛，它常使用在电力开关的电接触触头行业，航空航天的火箭喷口及半导体集成电路芯片的散热材料。尤其是作为芯片的散热材料，它具有高高导热及低膨胀的特性被广泛采用。
目前市场上的CuW90材料，大多采用传统的生产方式——模具成型-高温预烧骨架-高温渗铜，再通过后面的机械加工成需要的零件；该方法只能生产成简单的形状，再采用机械加工的方法制造所需要的零件。对于一些数量少，种类多的场合，模具生产周期长，成本高。而对一些复杂形状的，无法采用机械加工的零件，无法生产。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种能够制造复杂形状CuW90材料的采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法。
本发明的技术方案为：一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法，具体包括：
步骤一：原材料的预处理
将球形钨粉和雾化铜粉按照质量比9:1的比例称量后放入混料机中，然后向混料机中加入钨粉和铜粉总质量的1％的无水乙醇，混合8～16h后取出，然后自然晾干得到预处理后的原材料，备用；
步骤二：3D胚磨的制备
将预处理后的原材料采用激光3D打印成所需要的复杂零件的3D胚磨；具体工艺为：在3D打印设备上利用机械设计软件进行建模，然后对3D模型进行切片处理后，设计好打印的路径，并将切片后的文件储存成.gcode格式；然后，启动3D打印机，再通过3D打印机控制软件，把.gcode文件发送给打印机，将预处理后的原材料装入3D打印，并设定打印参数，在真空环境下进行打印，直至完成打印制得复杂零件的3D胚磨；
步骤二：3D胚磨的真空烧结
对复杂零件的3D胚磨进行真空烧结制备得到CuW90材料。
进一步地，步骤一所述球形钨粉采用粒径为15～65u的球形钨粉，所述雾化铜粉采用粒径为粒度为300-500目的雾化铜粉；采用15～65um球形钨粉，钨粉松装密度10.8g/cm3，振实密度能达到12.1g/cm3，氧含量小于100ppm，霍尔流速5.4s/50g，具备较好的流动性好；而铜粉是300-500目的雾化铜粉，其氧含量小于300ppm，具备更优的流动性，能满足更好地满足激光3D打印的送粉需求。
进一步地，步骤二所述机械设计软件具体采用Pro/E或者CATIA的任意一种；Pro/E和CATIA作为常用的三维构建软件，两者均具备实体模型和薄壁模型的有限元网格自动生成能力，在使用时更加便捷。
进一步地，步骤二所述打印参数具体为：激光功率为300～1500W，扫描速度为0.2～1.0m/min；能够对CuW90材料进行有效地打印，使得打印出的CuW90材料零件具备较高的精度以及更佳的综合力学性能。
进一步地，步骤三所述真空烧结的具体步骤为：采用真空烧结炉高温烧结，具体为：以5℃/min的升温速率升至1000～1600℃，且保持真空烧结炉内部的压力140MPa，保压2～3h。
进一步地，步骤三所述真空烧结的具体步骤为：采用真空烧结炉高温分阶段烧结，具体为：以10℃/min的升温速率升至800～1000℃，保持真空烧结炉内部的压力110～120MPa，保压1h；再以5℃/min的升温速率升至1800～2200℃，然后以25℃/min的降温速度降至1000～1200℃后，保持真空烧结炉内部的压力110MPa，保压0.5～1h；采用此方式进行高温烧结，收缩，使得最终的CuW90材料能够达到96.5％以上的致密度。
可代替的是，步骤三所述真空烧结的具体步骤为：采用真空烧结炉高温分阶段烧结，具体为：以5℃/min的升温速率升至1200℃，保持真空烧结炉内部的压力110～120MPa，保压0.5h；再以10℃/min的升温速率升至1600℃，然后在在惰性气体保护下以50℃/min的降温速度降至1000℃后，保持真空烧结炉内部的压力140MPa，保压0.5h；其中，惰性气体具体可采用N2或Ar2，此工艺能够使得CuW90材料具备更佳的低膨胀特性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提出的制造方法，能够有效地解决CuW90零件的复杂形状，能够对机械无法加工的CuW90材料的零件进行制造，有效地弥补了行业的空缺；
2、本发明提出的制造方法整体操作较为方便，且质量更易控制，更适合多品种，单件或小量生产的复杂零构件；能够有效地增加了效率，从而间接的降低了成本；
3、采用本发明制造方法制备的零件均可达到CuW90性能指标，能够达到96.5％以上的致密度；。
具体实施方式
实施例1：一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法，具体包括：
步骤一：原材料的预处理
将球形钨粉和雾化铜粉按照质量比9:1的比例称量后放入混料机中，然后向混料机中加入钨粉和铜粉总质量的1％的无水乙醇，混合8h后取出，然后自然晾干得到预处理后的原材料，备用；其中，球形钨粉采用粒径为15um的球形钨粉，雾化铜粉采用粒径为粒度为300目的雾化铜粉；
步骤二：3D胚磨的制备
将预处理后的原材料采用激光3D打印成所需要的复杂零件的3D胚磨；具体工艺为：在3D打印设备上利用机械设计软件进行建模，然后对3D模型进行切片处理后，设计好打印的路径，并将切片后的文件储存成.gcode格式，其中，机械设计软件具体采用Pro/E；然后，启动3D打印机，再通过3D打印机控制软件，把.gcode文件发送给打印机，将预处理后的原材料装入3D打印，并设定打印参数，在真空环境下进行打印，直至完成打印制得复杂零件的3D胚磨；其中，打印参数具体为：激光功率为300W，扫描速度为0.2m/min；
步骤二：3D胚磨的真空烧结
对复杂零件的3D胚磨进行真空烧结制备得到CuW90材料，具体步骤为：采用真空烧结炉高温烧结，具体为：以5℃/min的升温速率升至1000℃，且保持真空烧结炉内部的压力140MPa，保压2h。
实施例2：一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法，具体包括：
步骤一：原材料的预处理
将球形钨粉和雾化铜粉按照质量比9:1的比例称量后放入混料机中，然后向混料机中加入钨粉和铜粉总质量的1％的无水乙醇，混合10h后取出，然后自然晾干得到预处理后的原材料，备用；其中，球形钨粉采用粒径为45um的球形钨粉，雾化铜粉采用粒径为粒度为400目的雾化铜粉；
步骤二：3D胚磨的制备
将预处理后的原材料采用激光3D打印成所需要的复杂零件的3D胚磨；具体工艺为：在3D打印设备上利用机械设计软件进行建模，然后对3D模型进行切片处理后，设计好打印的路径，并将切片后的文件储存成.gcode格式，其中，机械设计软件具体采用CATIA；然后，启动3D打印机，再通过3D打印机控制软件，把.gcode文件发送给打印机，将预处理后的原材料装入3D打印，并设定打印参数，在真空环境下进行打印，直至完成打印制得复杂零件的3D胚磨；其中，打印参数具体为：激光功率为1100W，扫描速度为0.6m/min；
步骤二：3D胚磨的真空烧结
对复杂零件的3D胚磨进行真空烧结制备得到CuW90材料，具体步骤为：采用真空烧结炉高温烧结，具体为：以5℃/min的升温速率升至1400℃，且保持真空烧结炉内部的压力140MPa，保压2.5h。
实施例3：一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法，具体包括：
步骤一：原材料的预处理
将球形钨粉和雾化铜粉按照质量比9:1的比例称量后放入混料机中，然后向混料机中加入钨粉和铜粉总质量的1％的无水乙醇，混合16h后取出，然后自然晾干得到预处理后的原材料，备用；其中，球形钨粉采用粒径为65um的球形钨粉，雾化铜粉采用粒径为粒度为500目的球形铜粉；
步骤二：3D胚磨的制备
将预处理后的原材料采用激光3D打印成所需要的复杂零件的3D胚磨；具体工艺为：在3D打印设备上利用机械设计软件进行建模，然后对3D模型进行切片处理后，设计好打印的路径，并将切片后的文件储存成.gcode格式，其中，机械设计软件具体采用Pro/E；然后，启动3D打印机，再通过3D打印机控制软件，把.gcode文件发送给打印机，将预处理后的原材料装入3D打印，并设定打印参数，在真空环境下进行打印，直至完成打印制得复杂零件的3D胚磨；其中，打印参数具体为：激光功率为1500W，扫描速度为1.0m/min；
步骤二：3D胚磨的真空烧结
对复杂零件的3D胚磨进行真空烧结制备得到CuW90材料，具体步骤为：采用真空烧结炉高温烧结，具体为：以5℃/min的升温速率升至1600℃，且保持真空烧结炉内部的压力140MPa，保压3h。
实施例4：与实施例1不同的是：步骤三所述真空烧结的具体步骤为：采用真空烧结炉高温分阶段烧结，具体为：以10℃/min的升温速率升至800℃，保持真空烧结炉内部的压力110MPa，保压1h；再以5℃/min的升温速率升至1800℃，然后以25℃/min的降温速度降至1000℃后，保持真空烧结炉内部的压力110MPa，保压0.5h。
实施例5：与实施例1不同的是：步骤三所述真空烧结的具体步骤为：采用真空烧结炉高温分阶段烧结，具体为：以10℃/min的升温速率升至900℃，保持真空烧结炉内部的压力115MPa，保压1h；再以5℃/min的升温速率升至2000℃，然后以25℃/min的降温速度降至1100℃后，保持真空烧结炉内部的压力110MPa，保压0.8h。
实施例6：与实施例1不同的是：步骤三所述真空烧结的具体步骤为：采用真空烧结炉高温分阶段烧结，具体为：以10℃/min的升温速率升至1000℃，保持真空烧结炉内部的压力120MPa，保压1h；再以5℃/min的升温速率升至2200℃，然后以25℃/min的降温速度降至1200℃后，保持真空烧结炉内部的压力110MPa，保压1h。
实施例7：与实施例1不同的是：步骤三所述真空烧结的具体步骤为：采用真空烧结炉高温分阶段烧结，具体为：以5℃/min的升温速率升至1200℃，保持真空烧结炉内部的压力110MPa，保压0.5h；再以10℃/min的升温速率升至1600℃，然后在在惰性气体保护下以50℃/min的降温速度降至1000℃后，保持真空烧结炉内部的压力140MPa，保压0.5h；其中，惰性气体具体可采用N2或Ar2。
实验例：对实施例1～7所制备的CuW90材料零件进行性能测试，测试结果如表1所示：
表1实施例1～7所制备的CuW90材料零件性能指标
Figure GDA0003615000670000071
Figure GDA0003615000670000081
结论：采用本发明方法制备的CuW90材料零件其主要性能指标硬度HB≥260、硬度≥16.8g/cm3、电导率≥21.0MS/m、含氧量≤25ppm，具有较为良好的综合性能。

Claims (3)

1.一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法，其特征在于，具体包括：
步骤一：原材料的预处理
将球形钨粉和雾化铜粉按照质量比9:1的比例称量后放入混料机中，然后向混料机中加入钨粉和铜粉总质量的1％的无水乙醇，混合8～16h后取出，然后自然晾干得到预处理后的原材料，备用；所述球形钨粉采用粒径为15～65um的球形钨粉，所述雾化铜粉采用粒径为粒度为300-500目的雾化铜粉；
步骤二：3D胚磨的制备
将预处理后的原材料采用激光3D打印成所需要的复杂零件的3D胚磨；具体工艺为：在3D打印设备上利用机械设计软件进行建模，然后对3D模型进行切片处理后，设计好打印的路径，并将切片后的文件储存成.gcode格式；然后，启动3D打印机，再通过3D打印机控制软件，把.gcode文件发送给打印机，将预处理后的原材料装入3D打印，并设定打印参数，在真空环境下进行打印，直至完成打印制得复杂零件的3D胚磨；所述机械设计软件具体采用Pro/E或者CATIA的任意一种；所述打印参数具体为：激光功率为300～1500W，扫描速度为0.2～1.0m/min；
步骤三：3D胚磨的真空烧结
对复杂零件的3D胚磨进行真空烧结制备得到CuW90材料。
2.如权利要求1所述的一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法，其特征在于，步骤三所述真空烧结的具体步骤为：采用真空烧结炉高温烧结，具体为：以5℃/min的升温速率升至1000～1600℃，且保持真空烧结炉内部的压力140MPa，保压2～3h。
3.如权利要求1所述的一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法，其特征在于，步骤三所述真空烧结的具体步骤为：采用真空烧结炉高温分阶段烧结，具体为：以10℃/min的升温速率升至800～1000℃，保持真空烧结炉内部的压力110～120MPa，保压1h；再以5℃/min的升温速率升至1800～2200℃，然后以25℃/min的降温速度降至1000～1200℃后，保持真空烧结炉内部的压力110MPa，保压0.5～1h。
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