CN112077312B - 一种铜铝过渡段复合结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜铝过渡段复合结构的制备方法，包括以下步骤：(1)在铜实体上使用铜粉利用激光3D打印技术打印铜骨架；(2)向铜骨架间隙内填充铝熔液，得到铜铝复合结构；(3)以铜铝复合结构上表面为基准，使用铝合金粉末利用激光3D打印方法在铜铝复合结构上打印铝实体。该方法将激光3D打印技术与真空负压浸渗法相结合，在铜铝过渡段处构建铜骨架，利用分层软件设计每一层的孔隙率，在铜实体上近净成型任意复杂结构，无需模具和后续加工过程，节省材料成本和人工作业时间；具有互通三维结构的铜骨架增加了铝溶液的接触面积，铜向铝过渡，形成逐级过渡的界面特征，复合体致密性高，铝铜结合强度高，断裂风险低。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合结构的制备方法，更具体地，涉及一种铜铝过渡段复合结构的制备方法。
背景技术
在电力系统中，需要消耗大量导电材料，许多设备的接线端应用铜材料，而架空导线采用铝材料。对于铜铝过渡接头处，一般采用焊接的处理方式，一旦存在小小的缝隙，便可能受到腐蚀而发生氧化，不仅增大接触电阻，还会导致结合强度下降而发生断裂，缩短使用寿命，威胁供电系统的安全性。随着金属3D打印技术的普及，由于成形舱内的封闭环境为真空状态或氧含量小于100ppm，采用金属3D打印工艺成形的零件致密度能够达到99.9％以上，力学性能优异。目前，铜及铜合金、铝合金的成形工艺趋于成熟，但现有设备一次只能成形同一种金属材料，若在制备的零件上成形另一种金属材料，过渡段处必然会发生接触不匹配问题，致使结合强度弱，特别对于铜铝过渡段来说，较高的激光反射率和热导率使得两种材料的界面过渡段容易形成冶金缺陷，接触电阻增大导致发热和氧化，在运行过程中易断裂，埋下严重安全隐患。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种过渡段接触匹配性高、结合强度大的铜铝过渡段复合结构的制备方法。
技术方案：本发明所述的铜铝过渡段复合结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)在铜实体上使用铜粉利用激光3D打印技术打印铜骨架；
(2)向铜骨架间隙内填充铝熔液，得到铜铝复合结构；
(3)以铜铝复合结构上表面为基准，使用铝合金粉末利用激光3D打印方法在铜铝复合结构上打印铝实体。
其中，步骤1中，铜实体在隔板上3D打印成形，打印铜实体的工艺参数为激光功率200～400W，扫描速度1000～1500mm/s，扫描间距为70～80μm，层厚为20～30μm，所述铜骨架利用分层软件设计，并将三维信息离散化，获得每一层截面的二维平面和轮廓信息，导入成形设备，控制系统根据切片信息生成激光的扫描路径，在适宜的工艺参数范围逐层打印并堆积，铜骨架结构的孔隙率随层高增加而逐层增加；铜实体和隔板通过定位孔连接固定，铜粉为球形的无氧铜或铜锡合金，打印铜骨架的工艺参数为激光功率200～400W，扫描速度1000～1500mm/s，扫描间距为70～80μm，层厚为20～30μm，打印铜骨架时在惰性气氛中，氧含量低于100ppm；
其中，步骤2中将铜骨架放入内壁涂覆有石墨层的坩埚中，利用真空负压将铝熔液渗透到铜骨架间隙中，铝熔液的材质为铝硅合金或铝锰合金。
其中，步骤3中铝合金粉末为球形的铝硅合金或铝锰合金粉末，打印铝实体工艺参数设置为激光功率200～350W，扫描速度1000～1800mm/s，扫描间距为70～80μm，层厚为20～30μm，打印时在惰性气氛中，氧含量低于100ppm。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、将激光3D打印技术与真空负压浸渗法相结合，在铜铝过渡段处构建铜骨架，利用分层软件设计每一层的孔隙率，在铜实体上近净成型任意复杂结构，无需模具和后续加工过程，节省材料成本和人工作业时间；2、具有互通三维结构的铜骨架增加了铝溶液的接触面积，随层高增加，铝熔液的填充间隙逐渐增多，铜逐渐向铝过渡，形成逐级过渡的界面特征，利用真空负压条件提高复合体的致密性，铝铜结合强度高，减少废件的产生，降低断裂风险，安全性高。
附图说明
图1是本发明制作过程示意图；
图2是真空负压浸渗铝液装置；
图3是3D打印设备示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，利用3D打印技术制备铜铝过渡段复合体结构的方法包括以下步骤：
(1)激光3D打印铜骨架13：3D打印设备如图3所示，以成形基板上的铜实体17为基准面，以球形无氧铜粉末为原材料，采用内置送粉箱和刮刀4输送无氧铜粉末，将粉末均匀平铺在铜实体17上表面，铜实体17是在隔板上打印成形的，隔板与成形基板2通过定位孔连接固定，固定采用三孔定位法，利用分层软件设计铜骨架13模型，并将三维信息离散化，获得每一层截面的二维平面和轮廓信息，导入成形设备1，成形设备1内从进气口5通入氩气惰性气体，从排气口6导出并循环充入，控制氧含量低于100ppm，PLC控制系统根据切片信息生成激光3的扫描路径，设置激光工艺参数为350W，扫描速度1200mm/s，扫描间距70μm，层厚20μm，逐层打印并堆积，得到铜骨架13结构，铜骨架13结构的孔隙率随层高增加而逐层增加；
(2)真空负压浸渗铝液，形成铝铜复合：真空负压浸渗铝液装置如图2所示，从成形基板2上取下铜骨架13，经过超声波清洗后，将获得的铜骨架13结构置于坩埚9内，坩埚9内壁涂覆石墨层，将坩埚移入反应腔10中，反应腔10位于外壳7内部，外壳7四周设置有隔热层8，在外部控制系统作用下，通过导线启动真空泵15，通过气路管道14将反应腔10抽成真空状态，开启电磁阀门16，利用负压将铝合金熔液12经流道11吸入反应腔10的坩埚9中，铝合金熔液12向铜骨架13的间隙中填充，关闭电磁阀门16，静待铝合金熔液12和铜骨架13发生复合，得到铜逐渐向铝过渡的复合结构，铝合金熔液12为铝硅合金熔液；
(3)激光3D打印铝实体18：待冷却至室温后，将形成的铝铜过渡段复合结构取出，对复合结构的上表面进行粗磨和粗抛后，放置于成形设备1中对铜实体17底部的隔板进行精准固定，以复合体上表面为基准面，更换球形铝硅合金粉末为原材料，按照步骤1中工艺流程使用球形铝硅合金粉末打印铝实体18，设置激光工艺参数为200W，扫描速度1000mm/s，扫描间距70μm，层厚20μm，打印时在氩气惰性气氛中，氧含量低于100ppm，最终获得铝铜复合体19。
实施例2
(1)激光3D打印铜骨架13：以成形基板上的铜实体17为基准面，以球形铜锡合金粉末为原材料，采用内置送粉箱和刮刀4输送铜锡合金粉末，将粉末均匀平铺在铜实体17上表面，铜实体17是在隔板上打印成形的，隔板与成形基板2通过定位孔连接固定，固定采用三孔定位法，利用分层软件设计铜骨架13模型，并将三维信息离散化，获得每一层截面的二维平面和轮廓信息，导入成形设备1，成形设备1内从进气口5通入氩气惰性气体，从排气口6导出并循环充入，控制氧含量低于100ppm，PLC控制系统根据切片信息生成激光3的扫描路径，设置激光工艺参数为250W，扫描速度1500mm/s，扫描间距80μm，层厚3μm，逐层打印并堆积，得到铜骨架13结构，铜骨架13结构的孔隙率随层高增加而逐层增加；
(2)真空负压浸渗铝液，形成铝铜复合：从成形基板2上取下铜骨架13，经过超声波清洗后，将获得的铜骨架13结构置于坩埚9内，坩埚9内壁涂覆石墨层，将坩埚移入反应腔10中，反应腔10位于外壳7内部，外壳7四周设置有隔热层8，在外部控制系统作用下，通过导线启动真空泵15，通过气路管道14将反应腔10抽成真空状态，开启电磁阀门16，利用负压将铝合金熔液12经流道11吸入反应腔10的坩埚9中，铝合金熔液12向铜骨架13的间隙中填充，关闭电磁阀门16，静待铝合金熔液12和铜骨架13发生复合，得到铜逐渐向铝过渡的复合结构，铝合金熔液12为铝锰合金熔液；
(3)激光3D打印铝实体18：待冷却至室温后，将形成的铝铜过渡段复合结构取出，对复合结构的上表面进行粗磨和粗抛后，放置于成形设备1中对铜实体17底部的隔板进行精准固定，以复合体上表面为基准面，更换球形铝锰合金粉末为原材料，按照步骤1中工艺流程使用球形铝锰合金粉末打印铝实体18，设置激光工艺参数为300W，扫描速度1800mm/s，扫描间距80μm，层厚30μm，打印时在氩气惰性气氛中，氧含量低于100ppm，最终获得铝铜复合体19。
在负压浸渗过程中，熔融的铝合金熔液12流经铜骨架13间隙过程中，根据柯肯达尔效应理论，铜原子和铝原子发生互扩散，界面发生迁移，将形成良好的冶金结合，显著提高结合强度。
Claims (5)
1.一种铜铝过渡段复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在铜实体上使用球形的无氧铜粉或铜锡合金粉利用激光3D打印技术打印铜骨架，所述铜骨架利用分层软件设计，并将三维信息离散化，获得每一层截面的二维平面和轮廓信息，导入成形设备，控制系统根据切片信息生成激光的扫描路径，在适宜的工艺参数范围逐层打印并堆积，铜骨架结构的孔隙率随层高增加而逐层增加；
（2）将铜骨架放入内壁涂覆有石墨层的坩埚中，利用真空负压将材质为铝硅合金或铝锰合金的铝熔液渗透到铜骨架间隙中得到铜铝复合结构；
（3）以铜铝复合结构上表面为基准，使用球形的铝硅合金粉末或铝锰合金粉末利用激光3D打印方法在铜铝复合结构上打印铝合金实体。
2.根据权利要求1所述的铜铝过渡段复合结构的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，铜实体在隔板上3D打印成形，打印铜实体的工艺参数为激光功率200~400 W，扫描速度1000~1500mm/s，扫描间距为70~80μm，层厚为20~30μm。
3.根据权利要求1所述的铜铝过渡段复合结构的制备方法，其特征在于，步骤（1）中打印铜骨架的工艺参数为激光功率200~400 W，扫描速度1000~1500mm/s，扫描间距为70~80μm，层厚为20~30μm。
4.根据权利要求1所述的铜铝过渡段复合结构的制备方法，其特征在于，步骤（1）中打印铜骨架时在惰性气氛中，氧含量低于100ppm。
5.根据权利要求1所述的铜铝过渡段复合结构的制备方法，其特征在于，步骤（3）中打印铝合金实体工艺参数设置为激光功率200~350 W，扫描速度1000~1800mm/s，扫描间距为70~80μm，层厚为20~30μm，打印时在惰性气氛中，氧含量低于100ppm。
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