CN111940731A - 一种纯铜制件的激光熔化成形方法及成形装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种纯铜制件的激光熔化成形方法及成形装置，其中成形方法包括在加热板上设置基板，并将基板预热；将成形仓内抽真空后充入惰性气体；在基板上逐层堆积纯铜粉末，并按预设扫描路径逐层激光扫描熔化，最终形成纯铜制件；还包括：对激光扫描熔化过程中熔池温度进行监测；当熔池温度低于预设温度时，控制基板振动，直至熔池温度恢复至预设温度范围值内。本申请可避免纯铜氧化的问题，且工艺过程简便、稳定，能够一次性成形纯铜制件；同时改善熔池金属液的流动性，使气泡快速溢出，并在超声振动的作用下，改善熔池的凝固状态，充分补缩，减少纯铜凝固过程中层内未融合及层间结合不良的现象。

Description

一种纯铜制件的激光熔化成形方法及成形装置
本申请涉及纯铜制备技术领域，尤其涉及一种纯铜制件的激光熔化成形方法及成形装置。
背景技术
纯铜的导电性能和导热性能优越，并具有很高的化学稳定性，在大气、淡水和冷凝水中均有一定的抗腐蚀能力，常常应用于须要有高导热率的高炉风口、冷却盘、吹氧喷咀和高导电率的电极夹持器、电接头柱等零件。
一般情况下，纯铜零件采用铸造、粉末冶金和注射成形的方法成形。但是纯铜的铸造过程要比其它铜合金复杂的多，铸件废品率很高，产品质量时好时坏，其主要问题是脱氧、排气、除渣不彻底。由于纯铜的流动性差，体积收缩率和线收缩率大，容易使铸件产生集中性缩孔，且纯铜在液态时的氧化倾向比较大，特别在熔炼过程中极易被氧化，铸造工艺和浇注方法不合理，很容易产生铸件缩孔、裂纹、氧化、夹杂等缺陷使铸件报废。其中合金的熔炼工艺、造型工艺、浇注温度、铸件浇注方式等因素都是造成纯铜铸造时产生缺陷的主要原因并交互影响，因此铸造工艺方法难以掌握。
粉末冶金成形纯铜制件需要在其中加入粘结剂，随后要进行脱粘处理，成形高致密度的纯铜零件对工艺的要求十分苛刻。采用注射成形技术可制备形状复杂、组织均匀的纯铜零部件，并能实现制件的近净成形，原材料的利用率高，生产效率及自动化程度高，能够适合大批量的生产。但是注射成形工艺复杂，产品的变形度控制难度高，缺陷的影响因素较多，过程中需要严格控制脱粘剂含量，只有对混料工艺、注射过程及脱脂工艺各个工艺参数严格控制才能得到高质量的纯铜制品。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请实施例中提供一种纯铜制件的激光熔化成形方法，包括：
在加热板上设置基板，并将所述基板预热；
将成形仓内抽真空后充入惰性气体；
在所述基板上逐层堆积纯铜粉末，并按预设扫描路径逐层激光扫描熔化，最终形成纯铜制件。
优选的，上述纯铜制件的激光熔化成形方法，还包括：
对激光扫描熔化过程中熔池温度进行监测；
当所述熔池温度低于预设温度时，控制所述基板振动，直至所述熔池温度恢复至预设温度范围值内。
优选的，所述对激光扫描熔化过程中熔池温度进行监测时采用热成像装置实现。
优选的，所述基板通过超声振动装置实现，且所述超声振动频率为25KHz；所述超声振动功率为150W-500W。
优选的，所述纯铜粉末采用旋转电极法制备得到。
优选的，所述基板预热目标温度设置为200℃-300℃，且在所述激光扫描熔化过程中保持在200℃-300℃。
优选的，所述逐层堆积纯铜粉末时，每层填充角度与上一层相比均顺时针旋转一定角度。
优选的，每层所述纯铜粉末厚度为30-50μm，所述纯铜粉末粒径为15-60μm。
优选的，所述激光扫描时，激光束的光斑直径为89-110μm，且采用激光器为Nd.YAG光纤激光器，输出功率≥500W。
本申请实施例中还提供一种纯铜制件的激光熔化成形装置，用于实施上述的激光熔化成形方法，包括基板、控制装置、热成像装置及超声振动装置，所述热成像装置和所述超声振动装置均与所述控制装置电连接；
所述热成像装置用于对激光扫描熔化过程中熔池温度进行监测；
所述超声振动装置用于使所述基板振动；
当所述热成像装置监测到所述熔池温度低于预设温度时，将信号传输至所述控制装置，所述控制装置根据接收到的所述信号控制所述超声振动装置实现基板的振动，直至所述熔池温度恢复至预设温度范围值内。
与现有技术相比，本申请具有以下有益的技术效果：
本申请利用选区激光熔化工艺对纯铜粉末进行快速熔化成形，设定合理的激光工艺参数(激光功率、扫描速率、道间距、层厚)，对基板进行较高温度的预热，随后利用较高的激光能量使纯铜粉末在惰性气体保护的环境下充分熔化，逐层熔化，逐层堆积，最终成形好整个制件，可避免纯铜氧化的问题，且工艺过程简便、稳定，能够一次性成形纯铜制件。
本申请通过热成像技术和超声振动技术对熔池状态进行闭环控制，实时调整超声振动器的输出功率，保证熔池的温度均匀性，调节熔池液态金属的流动性，改善熔池凝固状态，减少未融合现象，避免孔洞的产生。
附图说明
图1为激光熔化成形装置中热成像装置与超声振动装置安装示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
一种纯铜制件的激光熔化成形方法，包括如下步骤：
步骤1：在加热板上设置基板，并将所述基板预热；
步骤2：将成形仓内抽真空后充入惰性气体；
步骤3：在所述基板上逐层堆积纯铜粉末，并按预设扫描路径逐层激光扫描熔化，最终形成纯铜制件。
上述纯铜粉末采用旋转电极法制备，使粉末纯度99.8％，粉末粒径范围在15-60μm，球形度高，少有空心粉和卫星粉；上述基板可以选用T02基板，尺寸为255mm*255mm*50mm，且控制刮刀与基板的间距小于30μm，而基板预热目标温度设置为200℃-300℃，且在所述激光扫描熔化过程中保持在200℃-300℃，且在逐层堆积纯铜粉末时保持两侧铺粉效果均匀一致，纯Cu粉体需提前装入送粉仓中；上述成形仓内充入的惰性气体可以选用氩气，且在抽真空时，还需控制氧含量在0.01％以下(100ppm)。
上述预设扫描路径通过以下方式实现：根据待加工的纯Cu制件形状，建立三维模型，采用切片软件对三维模型进行切片处理，切片包含成形件的横截面轮廓信息和加工路径，并将切片文件导入到激光熔化成形设备中。
此外，步骤3：在基板上逐层堆积纯铜粉末，并按预设扫描路径逐层激光扫描熔化时具体采用如下方式：(每层粉末厚度范围为30-50μm)
步骤301：首先在基板上铺设一层纯铜粉末，并对基板上的粉末进行扫描，粉末熔化并凝固，形成熔覆层；
步骤302：完成一个层面的扫描后，平台下降一个层厚的距离，并在已经形成的纯Cu熔覆层上再均匀铺设一层纯Cu粉末；
步骤303：重复上述步骤301和步骤302，直至纯Cu制件加工完成。
上述逐层堆积纯铜粉末时，每层填充角度与上一层相比均顺时针旋转一定角度。
且上述激光扫描时，激光束的光斑直径为89-110μm，且采用激光器为Nd.YAG光纤激光器，输出功率≥500W。
综上，本申请利用选区激光熔化工艺对纯铜粉末进行快速熔化成形，设定合理的激光工艺参数(激光功率、扫描速率、道间距、层厚)，对基板进行较高温度的预热，随后利用较高的激光能量使纯铜粉末在惰性气体保护的环境下充分熔化，逐层熔化，逐层堆积，最终成形好整个制件，可避免纯铜氧化的问题，且工艺过程简便、稳定，能够一次性成形纯铜制件。
本申请为了对激光熔化成形过程熔池的状态进行检测和调整，引入热成像、控制装置和超声振动装置，从而获得粉末加热熔化过程的温度变化，反馈给控制装置，控制装置调整超声振动装置的输出功率，形成闭环控制。激光熔化成形过程中引入超声振动，超声波在熔体中传播，能量会部分被熔体吸收并转变为热能，加之振动激励作用，改善了熔池液态金属的流动性，使气泡快速溢出，在超声振动的作用下，正在长大的枝晶网被打碎并分散到熔体的各个部位形成均匀分布的小晶核，液体更容易向树枝状结晶间的空隙补充，有利于改善熔池的凝固状态，减少层内未融合及层间结合不良的现象。
具体的，上述纯铜制件的激光熔化成形方法，还包括：
步骤401：对激光扫描熔化过程中熔池温度进行监测；
步骤402：当所述熔池温度低于预设温度时，控制所述基板振动，直至所述熔池温度恢复至预设温度范围值内。
其中，所述对激光扫描熔化过程中熔池温度进行监测时可以采用热成像装置实现；而所述基板振动通过超声振动装置实现，且所述超声振动频率优选为25KHz；所述超声振动功率优选为150W-500W。
相应的，本申请还提供一种纯铜制件的激光熔化成形装置，用于实施上述的激光熔化成形方法，包括基板、控制装置、热成像装置及超声振动装置，所述热成像装置和所述超声振动装置均与所述控制装置电连接；
所述热成像装置用于对激光扫描熔化过程中熔池温度进行监测；
所述超声振动装置用于使所述基板振动；
当所述热成像装置监测到所述熔池温度低于预设温度时，将信号传输至所述控制装置，所述控制装置根据接收到的所述信号控制所述超声振动装置实现基板的振动，直至所述熔池温度恢复至预设温度范围值内。
例如，熔池预设温度的最低值可以设置为250℃，超声振动装置的振动频率设定为25KHz，当热成像装置监测到熔池温度低于250℃时，控制装置便会控制超声振动装置按照设定频率进行振动，使基板振动，从而将超声波在熔体中传播，直至熔池内温度恢复至正常范围值内，则停止超声振动；此外，为了方便实时观测熔池内温度变化情况，还可以在所述控制装置上设置不同颜色监控界面，绿色表示温度合适，黄色表示温度过低，例如当热成像装置监测到熔池温度低于250℃时，监控界面变换为黄色，而当熔池温度恢复至正常值范围内，监控界面变换为绿色。
如图1所示，为了更好的将振动效应传递给熔池，可以将基板1固定在超声振动装置2上，超声波通过基板1及已成形制件部分传递给熔池；而热成像装置3可以设置在基板1上方位置。
以下实施例在S310设备上进行，所用激光器为功率500W的Nd:YAG激光器，焦平面光斑直径为89-110μm，激光功率为300-480W，扫描速率为700-1000mm/s，成形层厚后0.03mm-0.05mm。采用感应线圈对基板进行预热，预热温度为200℃。所用球形Cu粉体颗粒采用旋转电极法进行制备的，粉末粒径为15-60μm。采用光学显微镜结合扫描电镜观察随炉金相样品(20mm*20mm*20mm)横向及纵向的组织缺陷，并采用Image-proplus软件统计其中的孔洞数量。
实施例一
对纯铜粉末进行铜制件激光熔化成形实验，激光功率为400W，扫描速率为800mm/s，基板加热至200℃，层厚为50微米，未采用热成像及超声振动闭环控制的情况下，成形前40层成形面表现出明显的金属光泽，继续成形，表面逐渐发暗，且表面凹凸感较明显。采用光学显微镜观察随炉金相试样，发现试样5mm以上存在大量未融合区域。
实施例二
对纯铜粉末进行铜制件激光熔化成形实验，激光功率为400W，扫描速率为800mm/s，基板加热至200℃，层厚为50微米，采用热成像及超声振动进行闭环控制，超声振动装置的振动频率为25KHz，在100-500W的范围内调节输出功率。将超声振动的输出功率控制在150W，通过热成像发现前九十五层能量输入适中，之后表现出能量输入较弱现象，表面的金属光泽逐渐弱化，但表面的平整度优于实施例一。观察内部组织，发现未融合发生在试样高度为11-20mm的区间范围，组织与实例一相比明显好转。
实施例三
对纯铜粉末进行铜制件激光熔化成形实验，激光功率为400W，扫描速率为800mm/s，基板加热至200℃，层厚为50微米，采用热成像及超声振动进行闭环控制，超声振动装置的振动频率为25KHz，在100-500W的范围内调节输出功率。观察超声振动对随炉金相试样中缺陷的影响。前40层不引入超声振动，40层-80层引入超声振动，热成像显示能量输入与前四十层相比无明显差异；随着成形的继续，根据热成像监测到的熔池温度增加超声振动的输出功率，过程中能量输入区域均匀化。观察随炉金相的组织发现组织中无未融合现象，少有气孔，致密度达98.6％。
以上给出的实施例是实现本申请较优的例子，本申请不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本申请技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种纯铜制件的激光熔化成形方法，其特征在于，包括：
在加热板上设置基板，并将所述基板预热；
将成形仓内抽真空后充入惰性气体；
在所述基板上逐层堆积纯铜粉末，并按预设扫描路径逐层激光扫描熔化，最终形成纯铜制件。
2.根据权利要求1所述的纯铜制件的激光熔化成形方法，其特征在于，还包括：
对激光扫描熔化过程中熔池温度进行监测；
当所述熔池温度低于预设温度时，控制所述基板振动，直至所述熔池温度恢复至预设温度范围值内。
3.根据权利要求2所述的纯铜制件的激光熔化成形方法，其特征在于，所述对激光扫描熔化过程中熔池温度进行监测时采用热成像装置实现。
4.根据权利要求2所述的纯铜制件的激光熔化成形方法，其特征在于，所述基板振动通过超声振动装置实现，且所述超声振动频率为25KHz；所述超声振动功率为150W-500W。
5.根据权利要求1所述的纯铜制件的激光熔化成形方法，其特征在于，所述纯铜粉末采用旋转电极法制备得到。
6.根据权利要求1所述的纯铜制件的激光熔化成形方法，其特征在于，所述基板预热目标温度设置为200℃-300℃，且在所述激光扫描熔化过程中保持在200℃-300℃。
7.根据权利要求1所述的纯铜制件的激光熔化成形方法，其特征在于，所述逐层堆积纯铜粉末时，每层填充角度与上一层相比均顺时针旋转一定角度。
8.根据权利要求1所述的纯铜制件的激光熔化成形方法，其特征在于，每层所述纯铜粉末厚度为30-50μm，所述纯铜粉末粒径为15-60μm。
9.根据权利要求1所述的纯铜制件的激光熔化成形方法，其特征在于，所述激光扫描时，激光束的光斑直径为89-110μm，且采用激光器为Nd.YAG光纤激光器，输出功率≥500W。
10.一种纯铜制件的激光熔化成形装置，其特征在于，用于实施权利要求2-4中任一项所述的激光熔化成形方法，包括基板、控制装置、热成像装置及超声振动装置，所述热成像装置和所述超声振动装置均与所述控制装置电连接；
所述热成像装置用于对激光扫描熔化过程中熔池温度进行监测；
所述超声振动装置用于使所述基板振动；
当所述热成像装置监测到所述熔池温度低于预设温度时，将信号传输至所述控制装置，所述控制装置根据接收到的所述信号控制所述超声振动装置实现基板的振动，直至所述熔池温度恢复至预设温度范围值内。
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