CN112091216B - 一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，属于铜铬触头制造技术领域，本发明的制备方法包括：混粉、3D打印、热处理、线切割以及表面处理，其中复合层为CuCr（0.5‑2%）合金粉，触头层为CuCr（10‑50%）Te（0.2‑1%）复合粉，以3D打印工艺为基础制备铸态复合触头，能够实现触头层与复合层之间的界面平齐，致密度大为提高，通过骤冷及热处理使固溶在Cu中的Cr相析出，且Cr相极为细小，同时CuTe相析出，形成CuTe脆性相，解决了铸态组织抗熔焊性能差的问题。

Description

一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法
技术领域
本发明涉及铜铬触头制造技术领域，具体是涉及一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法。
背景技术
铜铬合金触头材料由于具有优良的综合性能，是目前公认的真空断路器使用最佳的材料，而CuCr/Cu系列复合触头相比常规的CuCr触头具有高的电导率和热导率，并且仅需约1.5 mm的CuCr层就可以满足要求，大大减小了厚度，同时在与导电杆焊接过程使用普通的AgCu焊料就可以满足要求，而不需要昂贵的PdAgCu焊料，因此能够降低成本。
但是目前CuCr/Cu系列复合触头多是以粉末冶金法制备，相比常规铸态法制备的触头，虽然抗熔焊性能良好，但是其致密度低，Cr相粗大，因此其综合性能差，限制了该类产品的应用范畴。并且由于Cu层强度低，在使用过程容易变形，造成开断失败等问题，同时CuCr层与Cu层的结合面很难保证平齐，制备难度较大，最后该种工艺制备的毛坯还需要进行后续车、铣等多道工序进行机械加工，不仅样式单一简单，而且造成流程长、工序多，极大的增加了生产制造成本。
专利CN109355524A公开了一种用于真空断路器的铜铬触头材料及制备方法，其由以下重量百分比的成分组成：Cr为20-60 ％，余量为Cu；其原材料分别为30-350 μm的铬粉以及350 μm以下的铜粉，对比于现有模具压制、烧结工艺可大批量稳定化生产，且可批量化生产出大规格铜铬触头，工艺过程简单、加热过程只有30-90min，生产出的触头组织致密、无气孔等缺陷，以及耐电弧侵蚀性能好，但耐高温差软化温度低，抗熔焊性较弱，无法满足特殊场合使用要求。
发明内容
本发明针对上述存在的问题提供了一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法。
本发明的技术方案是：一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，包括以下步骤：
S1：混粉
将Cu粉、Cr粉、Te粉按重量要求配比，其中Cr：10-50 %，Te：0.2-1%，Cu：余量，将配比称重后的CuCrTe混合粉在氩气保护下进行球磨混粉，得到球磨混粉后CuCrTe混合粉；同时制备得到CuCr合金粉，其中Cr：0.5-2%，Cu：余量；
S2：3D打印
S2-1：将步骤S1所得CuCr合金粉装入3D打印设备的第一粉槽，将步骤S1所得球磨混粉后CuCrTe混合粉装入3D打印设备的第二粉槽；
S2-2：将3D打印的基板安装在成型平台上，随后安装并调平铺粉系统，关闭舱门，对打印区间及粉槽采用99.99 %的氩气进行洗气，同时导入打印模型和程序，准备打印；
S2-3：按照程序设定首先从第一粉槽开始铺粉打印CuCr复合层，随后从第二粉槽进行铺粉打印CuCrTe触头层，每打印一层则升降机构控制成型平台下降一层铺粉厚度的高度，打印过程中对基板降温至-35℃，同时使用液氮对打印前的合金粉末、打印后的熔融金属分别对应进行合金粉末降温、熔融金属骤冷处理，所述液氮的喷射高度距基板为15-17cm，喷射半径为9-10mm，喷射速度为3.5-4.5m/s，在打印结束前0.5h对基板进行预热处理，持续打印直到得到图纸要求的合金毛坯；
S3：热处理
将步骤S2-3所得合金毛坯进行热处理，热处理温度设定为450-500℃，保温一段时间后冷却降温，保温一段时间后得到热处理后的合金毛坯；
S4：线切割
待热处理结束后，将热处理后合金毛坯从基板取下，进行线切割，得到合金零件；
S5：表面处理
清扫线切割后合金零件表面的粉末，并对合金零件通过喷砂去除表面支撑，达到设计最终要求表面粗糙度及精度。
进一步地，所述CuCrTe混合粉的粒径目数为200目。
进一步地，所述步骤S1混粉中球磨介质使用的是研磨用铜球，CuCrTe混合粉与研磨用铜球的重量比为1:1，混粉时间为5 h。
进一步地，所述步骤S2-2中洗气时，打开抽真空装置15将3D打印设备1抽真空，当氧含量小于1000 ppm时，打开注氩气装置16注入99.99%的氩气，压力控制在22-24 mbar。
进一步地，所述步骤S2-3中打印开始前，调整位于成型平台下方的控温装置，使其将基板温度降至-35℃，同时调整升降杆及伸缩杆，使伸缩杆末端的中空旋转板位于激光束的正下方，激光束穿过所述中空旋转板中心的通孔，中空旋转板对打印后的熔融金属进行骤冷处理，通过系统设定使中空旋转板的运动路径与激光束的运动路径一致。
更进一步地，所述中空旋转板的通孔两侧分别设有液氮冷却头，打印过程中全程开启，通过系统设定微调中空旋转板旋转使激光束、液氮冷却头与打印路径始终保持在一条直线上，位于激光束前侧的液氮冷却头用于辅助基板对待打印的合金粉末降温，位于激光束后侧的液氮冷却头用于对打印后的熔融金属进行骤冷。
进一步地，所述步骤S2-3中打印时每层铺粉厚度为20 μm，打印CuCr复合层的激光功率为50-200 kW，扫描速度为100-400 mm/s，激光束直径为180 μm，当打印完CuCr复合层后，打印一层第二粉槽4内的CuCrTe混合粉，随后再打印一层第一粉槽3内的CuCr合金粉，交替打印3次，使复合层和触头层的过渡段更加稳定，开始打印CuCrTe触头层，激光功率为150-500 kW，扫描速度为100-400 mm/s，激光束直径为140 μm，通过多层堆积，最终打印得到导入打印模型形状。
进一步地，所述步骤S2中3D打印过程中使用全角折射镜将激光器发出的激光束折射后经激光保护镜落入基板上，每打印5-10层使用吸粉装置将成型平台上未使用的粉料收集至回收箱。
进一步地，所述步骤S2-3中预热处理具体为：在CuCrTe触头层打印结束前0.5 h，即通过系统设定距离打印完成还有15层时，打开控温装置（7）开始对基板（6）进行预热，预热温度为160 ℃。
进一步地，所述步骤S3热处理的具体步骤为：
S3-1：当CuCrTe触头层全部打印结束后，关闭液氮冷却头，伸缩杆带动中空旋转板收回，调节控温装置以100-120 ℃/h的升温速度升温至350-400 ℃，随后以60-70 ℃/h的升温速度升温至450-500 ℃，随后保温4h；
S3-2：调节控温装置以140-160 ℃/h的降温速度降温至0-5 ℃，保温1-2 h后取出。
本发明的有益效果是：
（1）本发明以3D打印工艺为基础制备铸态复合触头，能够实现触头层与复合层之间的界面平齐，致密度大为提高。
（2）本发明通过骤冷作用使固溶在Cu中的Cr相析出，提升复合触头的电导率和硬度，且通过热处理及骤冷作用，使得Cr相极为细小，尺寸在2-5um之间，触头导电导热性能提高，同时本发明在制备过程引入了第三元素“Te”，通过热处理能够使CuCrTe触头层中的CuTe相析出，形成CuTe脆性相，解决了铸态组织抗熔焊性能差的问题。
（3）本发明的制备方法能够实现个性化生产，不仅能够制备形状复杂的外型，而且得到的是近净成形的产品，省去了后续的机械加工，不仅提高了效率，而且节省了原材料。
（4）本发明的复合层是用含有低Cr（0.5~2%）的Cu合金替代纯Cu层，能够有效提高强度，防止在服役过程因为撞击而造成变形。
附图说明
图1是本发明制备方法工艺流程图；
图2是本发明制备方法所使用的3D打印设备正面结构示意图；
图3是本发明制备方法所使用的3D打印设备背面结构示意图；
图4是本发明制备方法所使用的3D打印设备打印过程时主视图；
图5是本发明实施例3制备的复合触头100倍金相组织照片；
图6是本发明实施例6制备的复合触头100倍金相组织照片；
其中，1-3D打印设备，2-成型平台，3-第一粉槽，4-第二粉槽，5-铺粉系统，6-基板，7-控温装置，8-升降机构，9-升降杆，10-伸缩杆，11-中空旋转板，12-液氮冷却头，13-吸粉装置，14-激光器，15-抽真空装置，16-注氩气装置，17-全角折射镜，18-激光保护镜，19-回收箱。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，包括以下步骤：
S1：混粉
将Cu粉、Cr粉、Te粉按重量要求配比，其中Cr：10 %，Te：0.2%，Cu：余量，将配比称重后的CuCrTe混合粉在氩气保护下进行球磨混粉，CuCrTe混合粉的粒径目数为200目，球磨介质使用的是研磨用铜球，CuCrTe混合粉与研磨用铜球的重量比为1:1，混粉时间为5 h，得到球磨混粉后CuCrTe混合粉；同时制备得到CuCr合金粉，其中Cr：0.5 %，Cu：余量；
S2：3D打印
S2-1：将步骤S1所得CuCr合金粉装入3D打印设备1的第一粉槽3，将球磨混粉后步骤S1所得CuCrTe混合粉装入3D打印设备1的第二粉槽4；
S2-2：将3D打印的基板6安装在成型平台2上，随后安装并调平铺粉系统5，关闭舱门，对打印区间及粉槽采用99.99 %的氩气进行洗气，打开抽真空装置15将3D打印设备1抽真空，当氧含量小于1000 ppm时，打开注氩气装置16，压力控制在23 mbar，同时导入打印模型和程序，准备打印；
S2-3：按照程序设定首先从第一粉槽3开始铺粉打印CuCr复合层，随后从第二粉槽4进行铺粉打印CuCrTe触头层，每打印一层则升降机构8控制成型平台2下降一层铺粉厚度的高度，打印过程中对基板6降温至-35℃，同时使用液氮对打印后的熔融金属进行骤冷处理，所述液氮的喷射高度距基板6为17cm，喷射半径为10mm，喷射速度为3.5m/s，在打印结束前0.5h对基板6进行预热处理，预热温度为160 ℃，持续打印直到得到图纸要求的合金毛坯；
S3：热处理
将步骤S2-3所得合金毛坯进行热处理，热处理温度设定为480℃，保温一段时间后冷却降温，保温一段时间后得到热处理后的合金毛坯，具体步骤为：
S3-1：当CuCrTe触头层全部打印结束后，以110 ℃/h的升温速度升温至380 ℃，随后以66 ℃/h的升温速度升温至480 ℃，随后保温4h；
S3-2：以150 ℃/h的降温速度降温至3 ℃，保温1.5 h后取出。
S4：线切割
待热处理结束后，将热处理后合金毛坯从基板6取下，进行线切割，得到合金零件；
S5：表面处理
清扫线切割后合金零件表面的粉末，并对合金零件通过喷砂去除表面支撑，达到设计最终要求表面粗糙度及精度，粗糙度为Ra 1.6，误差在±0.1 mm内。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：
S1混粉：将Cu粉、Cr粉、Te粉按重量要求配比，其中Cr：20 %，Te：0.4%，Cu：余量，将配比称重后的CuCrTe混合粉在氩气保护下进行球磨混粉，CuCrTe混合粉的粒径目数为200目，球磨介质使用的是研磨用铜球，CuCrTe混合粉与研磨用铜球的重量比为1:1，混粉时间为5 h，得到球磨混粉后CuCrTe混合粉；并制备得到CuCr合金粉，其中Cr：0.8 %，Cu：余量。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：
S1混粉：将Cu粉、Cr粉、Te粉按重量要求配比，其中Cr：30 %，Te：0.6%，Cu：余量，将配比称重后的CuCrTe混合粉在氩气保护下进行球磨混粉，CuCrTe混合粉的粒径目数为200目，球磨介质使用的是研磨用铜球，CuCrTe混合粉与研磨用铜球的重量比为1:1，混粉时间为5 h，得到球磨混粉后CuCrTe混合粉；并制备得到CuCr合金粉，其中Cr：1.0 %，Cu：余量。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：
S1混粉：将Cu粉、Cr粉、Te粉按重量要求配比，其中Cr：40 %，Te：0.8%，Cu：余量，将配比称重后的CuCrTe混合粉在氩气保护下进行球磨混粉，CuCrTe混合粉的粒径目数为200目，球磨介质使用的是研磨用铜球，CuCrTe混合粉与研磨用铜球的重量比为1:1，混粉时间为5 h，得到球磨混粉后CuCrTe混合粉；并制备得到CuCr合金粉，其中Cr：1.6 %，Cu：余量。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：
S1混粉：将Cu粉、Cr粉、Te粉按重量要求配比，其中Cr：50 %，Te：1.0%，Cu：余量，将配比称重后的CuCrTe混合粉在氩气保护下进行球磨混粉，CuCrTe混合粉的粒径目数为200目，球磨介质使用的是研磨用铜球，CuCrTe混合粉与研磨用铜球的重量比为1:1，混粉时间为5 h，得到球磨混粉后CuCrTe混合粉；并制备得到CuCr合金粉，其中Cr：2.0 %，Cu：余量。
实施例6
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：本实施例还提供了一种用于步骤S2中的冷却及回收专用装置：
如图2-4所示，3D打印设备1内中部设有成型平台2，成型平台2底部固定设有控温装置7，控温装置7底部固定设有升降机构8，升降机构8与3D打印设备1内底部连接，成型平台2上方放置有基板6，成型平台2两侧的3D打印设备1内分别设有第一粉槽3和第二粉槽4，第一粉槽3和第二粉槽4上方分别设有一组滑动连接在3D打印设备1内壁的铺粉系统5，3D打印设备1内一侧设有升降杆9，升降杆9端头与横向设置于基板6上方的伸缩杆10末端连接，伸缩杆10前端设有中空旋转板11，中空旋转板11中心设有用于激光通过的通孔，通孔两侧分别设有一个液氮冷却头12，3D打印设备1上方一侧设有激光器14，激光器14相对一侧的3D打印设备1上方设有全角折射镜17，3D打印设备1内侧壁有4个吸粉装置13，吸粉装置13包括套管、带有吸气头的伸缩杆以及排料管，吸粉装置13与位于3D打印设备1外底部的回收箱19连接。
在步骤S2-3中在第一粉槽3开始铺粉打印CuCr复合层前，调整控温装置7使其将基板温度降至-35℃，同时调整升降杆9及伸缩杆10，使伸缩杆10末端的中空旋转板11位于激光束的正下方，3D打印过程中使用全角折射镜17将激光器14发出的激光束折射后经激光保护镜18穿过所述中空旋转板11中心的通孔落入基板6上，中空旋转板11对打印后的熔融金属进行骤冷处理，通过系统设定使中空旋转板11的运动路径与激光束的运动路径一致；
中空旋转板11的通孔两侧的液氮冷却头12打印过程中全程开启，通过系统设定微调中空旋转板11旋转使激光束、液氮冷却头12与打印路径始终保持在一条直线上，位于激光束前侧的液氮冷却头12用于辅助基板6对待打印的合金粉末降温，位于激光束后侧的液氮冷却头12用于对打印后的熔融金属进行骤冷，所述液氮的喷射高度距基板6为17cm，喷射半径为10mm，喷射速度为3.5m/s，每打印5层使用将吸粉装置13上的吸气头伸出至成型平台2的上方，将成型平台2上未使用的粉料收集至回收箱19，吸收完毕后吸气头收回，使3D打印设备1持续保持真空状态，持续打印直到得到图纸要求的合金毛坯。
实施例7
本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于：
所述液氮的喷射高度距基板6为15cm，喷射半径为9mm，喷射速度为4.5m/s。
实施例8
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：
S3：热处理
将步骤S2-3所得合金毛坯进行热处理，热处理温度设定为450℃，保温一段时间后冷却降温，保温一段时间后得到热处理后的合金毛坯，具体步骤为：
S3-1：当CuCrTe触头层全部打印结束后，关闭液氮冷却头12，伸缩杆10带动中空旋转板11收回，调节控温装置7以100 ℃/h的升温速度升温至350 ℃，随后以60 ℃/h的升温速度升温至450 ℃，随后保温4h；
S3-2：调节控温装置7以140 ℃/h的降温速度降温至0 ℃，保温1 h后取出。
实施例9
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：
S3：热处理
将步骤S2-3所得合金毛坯进行热处理，热处理温度设定为500℃，保温一段时间后冷却降温，保温一段时间后得到热处理后的合金毛坯，具体步骤为：
S3-1：当CuCrTe触头层全部打印结束后，关闭液氮冷却头12，伸缩杆10带动中空旋转板11收回，调节控温装置7以120 ℃/h的升温速度升温至400 ℃，随后以70 ℃/h的升温速度升温至500 ℃，随后保温4h；
S3-2：调节控温装置7以160 ℃/h的降温速度降温至5 ℃，保温2 h后取出。
实施例10
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：
S2-3：按照程序设定首先从第一粉槽3开始铺粉打印CuCr复合层，激光功率为150kW，扫描速度为250 mm/s，激光束直径为180 μm，每打印一层结束后升降机构8控制成型平台2下降一层铺粉厚度的高度，再次打印；打印每层铺粉厚度为20 μm，当打印完CuCr复合层后，打印一层第二粉槽4内的CuCrTe混合粉，随后再打印一层第一粉槽3内的CuCr合金粉，交替打印3次，使复合层和触头层的过渡段更加稳定，随后从第二粉槽4进行铺粉打印CuCrTe触头层，激光功率为350 kW，扫描速度为290 mm/s，激光束直径为140 μm，在打印结束前0.5h对基板6进行预热处理，即通过系统设定距离打印完成还有15层时，打开控温装置7开始对基板6进行预热，预热温度为160 ℃，持续打印直到得到图纸要求的合金毛坯；
实施例11
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：
S2-3：按照程序设定首先从第一粉槽3开始铺粉打印CuCr复合层，激光功率为50kW，扫描速度为100 mm/s，激光束直径为180 μm，每打印一层结束后升降机构8控制成型平台2下降一层铺粉厚度的高度，再次打印，打印每层铺粉厚度为20 μm，当打印完CuCr复合层后，打印一层第二粉槽4内的CuCrTe混合粉，随后再打印一层第一粉槽3内的CuCr合金粉，交替打印3次，使复合层和触头层的过渡段更加稳定，随后从第二粉槽4进行铺粉打印CuCrTe触头层，激光功率为350 kW，扫描速度为290 mm/s，激光束直径为140 μm，在打印结束前0.5h对基板6进行预热处理，即通过系统设定距离打印完成还有15层时，打开控温装置7开始对基板6进行预热，预热温度为160 ℃，持续打印直到得到图纸要求的合金毛坯；
实施例12
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：
S2-3：按照程序设定首先从第一粉槽3开始铺粉打印CuCr复合层，激光功率为200kW，扫描速度为400 mm/s，激光束直径为180 μm，每打印一层结束后升降机构8控制成型平台2下降一层铺粉厚度的高度，再次打印；打印每层铺粉厚度为20 μm，当打印完CuCr复合层后，打印一层第二粉槽4内的CuCrTe混合粉，随后再打印一层第一粉槽3内的CuCr合金粉，交替打印3次，使复合层和触头层的过渡段更加稳定，随后从第二粉槽4进行铺粉打印CuCrTe触头层，激光功率为350 kW，扫描速度为290 mm/s，激光束直径为140 μm，在打印结束前0.5h对基板6进行预热处理，即通过系统设定距离打印完成还有15层时，打开控温装置7开始对基板6进行预热，预热温度为160 ℃，持续打印直到得到图纸要求的合金毛坯；
实施例13
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：
S2-3：按照程序设定首先从第一粉槽3开始铺粉打印CuCr复合层，激光功率为150kW，扫描速度为250 mm/s，激光束直径为180 μm，每打印一层结束后升降机构8控制成型平台2下降一层铺粉厚度的高度，再次打印；打印每层铺粉厚度为20 μm，当打印完CuCr复合层后，打印一层第二粉槽4内的CuCrTe混合粉，随后再打印一层第一粉槽3内的CuCr合金粉，交替打印3次，使复合层和触头层的过渡段更加稳定，随后从第二粉槽4进行铺粉打印CuCrTe触头层，激光功率为150 kW，扫描速度为100 mm/s，激光束直径为140 μm，在打印结束前0.5h对基板6进行预热处理，即通过系统设定距离打印完成还有15层时，打开控温装置7开始对基板6进行预热，预热温度为160 ℃，持续打印直到得到图纸要求的合金毛坯；
实施例14
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：
S2-3：按照程序设定首先从第一粉槽3开始铺粉打印CuCr复合层，激光功率为150kW，扫描速度为250 mm/s，激光束直径为180 μm，每打印一层结束后升降机构8控制成型平台2下降一层铺粉厚度的高度，再次打印；打印每层铺粉厚度为20 μm，当打印完CuCr复合层后，打印一层第二粉槽4内的CuCrTe混合粉，随后再打印一层第一粉槽3内的CuCr合金粉，交替打印3次，使复合层和触头层的过渡段更加稳定，随后从第二粉槽4进行铺粉打印CuCrTe触头层，激光功率为500 kW，扫描速度为400 mm/s，激光束直径为140 μm，在打印结束前0.5h对基板6进行预热处理，即通过系统设定距离打印完成还有15层时，打开控温装置7开始对基板6进行预热，预热温度为160 ℃，持续打印直到得到图纸要求的合金毛坯；
实验例1 探究不同元素成分含量对复合触头性能的影响
利用实施例1-7中制备的复合触头进行相关性能参数实验，以探究不同元素成分含量对复合触头性能的影响，以及降温骤冷对复合触头性能的影响，测试方法如下所示：
根据GB/T 3849.2-2010《硬质合金洛氏硬度试验》标准用HV-120型维氏硬度机测试复合触头的硬度，采用50公斤载荷将磨平的试样放于工作台上调焦距打压痕读出对角线长度得到硬度值。
根据GB/T 1423-1996《贵金属及其合金密度的测试方法》标准使用天平测得复合触头的质量，使用水中测量法测得复合触头的体积，计算得到复合触头的密度。
根据SL78-1994《电导率的测定(电导仪法)》用FQR7501涡流电导仪测试复合触头的电导率。
根据GB228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》在CMT5205 电子万能试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速率为5mm/mnin，测试复合触头的抗拉强度。
根据GB T 33370-2016《铜及铜合金软化温度的测定方法》标准在退火炉内测试复合触头的软化温度；
测试结果如表1所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
结论：由表1数据可知，不同元素成分含量对复合触头的触头层和复合层均有一定影响，对比实施例1-5可以发现，Cr元素含量的增加会使触头层及复合层的硬度提高，实施例5的方法制备的复合触头硬度最高；当Cr元素和Te元素的含量增加时，触头层的密度有所降低，而复合层的密度随Cr元素含量的增加而增大，在达到使用条件的前提下实施例3的方法制备的复合触头密度最优；当Cr元素和Te元素的含量增加时，触头层的电导率略微有所降低，而复合层的电导率随Cr元素含量的增加变化不大，因此在使用标准为电导率≥30的条件下实施例1-3的方法制备的复合触头均符合要求；当Cr元素和Te元素的含量越大，触头层的抗拉强度越大；当Cr元素和Te元素的含量越大，触头层的软化温度越高，综上所述，使用实施例3中的参数制备得到的复合触头性能最优。
对比实施例3与6，实施例6与实施例3相比硬度和抗拉强度相对较高，导电率也略微有所提高，如图5、6所示，实施例3与6中触头层和复合层中Cu、Cr元素完全互溶，保证了成分的均匀性，未发现明显缺陷，复合部位平整；还可以看出实施例6中经过骤冷作用及热处理后固溶入的合金元素析出，使得复合触头的电导率提高；同时随着大量的Cr元素的析出，且没有发生聚集现象，没有气孔等常见缺陷，结合良好，使得触头层的强度得到提高，可见通过对基板6降温冷却能够使复合触头的性能更优，通过上述骤冷装置及降温骤冷方法能够有效地使固溶在Cu中的Cr相析出，从而进一步的提升复合触头的各项性能。
对比实施例6与7，实施例7与实施例6相比硬度和抗拉强度略微提高，可见使用更近距离、半径更小、速度更快更精细的液氮喷射能够使复合触头的性能更优。
实验例2 探究不同液氮骤冷参数对复合触头性能的影响
利用实施例6、7中制备的复合触头进行相关性能参数实验，以探究不同液氮骤冷参数对复合触头性能的影响，测试方法如实验例1所示：
Figure 557491DEST_PATH_IMAGE002
结论：由表2数据可知，对比实施例6与7，实施例7与实施例6相比硬度和抗拉强度相对较高，导电率也略微有所提高，如图5、6所示，实施例6与7中触头层和复合层中Cu、Cr元素完全互溶，保证了成分的均匀性，未发现明显缺陷，复合部位平整；还可以看出实施例7中经过骤冷作用及热处理后固溶入的合金元素析出，使得复合触头的电导率提高；同时随着大量的Cr元素的析出，且没有发生聚集现象，没有气孔等常见缺陷，结合良好，使得触头层的强度得到提高，可见通过上述骤冷装置及降温骤冷方法能够有效地使固溶在Cu中的Cr相析出，使用更近距离、半径更小、速度更快更精细的液氮喷射能够使复合触头的性能更优。
实验例3 探究不同温度热处理对复合触头性能的影响
利用实施例3、8、9中制备的复合触头进行相关性能参数实验，以探究不同热处理温度对复合触头的触头层性能的影响，测试方法如实验例1所示，测试结果如表3所示：
表3 复合触头性能比较
实施例 硬度HB 电导Ms/m 抗拉强度Mpa
实施例3 125 30 175
实施例8 109 29 162
实施例9 116 30 168
结论：由表3数据可知，对比实施例3、8、9中不同热处理温度对复合触头的性能有一定影响但影响不大，其中实施例3中的热处理温度得到的复合触头的触头层性能最优，热处理温度在480℃为宜。
实验例4 探究不同激光打印功率对复合触头性能的影响
利用实施例10-14中制备的复合触头进行相关性能参数实验，以探究不同激光打印功率对复合触头的复合层和触头层之间连接部抗拉强度性能的影响，其中扫描速度随激光功率的变化而变化，测试方法如下所示：
根据GB/T 10423-1989《烧结金属摩擦材料 抗拉强度的测定》标准将复合触头的复合层和触头层夹持固定，测得结合部的抗拉强度大小，测试结果如表4所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
结论：由表4数据可知，对比实施例10-14中不同激光打印功率对复合触头的触头层和复合层之间连接部抗拉强度性能均有一定影响，实施例10中的激光功率和扫描速度得到的复合层性能最优，在实际生产过程中复合层的激光功率为150 kW、扫描速度为250 mm/s、触头层的激光功率为350 kW、扫描速度为290 mm/s较为合适，且前后功率差不宜过大或过小，功率大小及前后功率差过大或过小均会影响复合层和触头层结合部的抗拉强度大小。

Claims (10)

1.一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：混粉
将Cu粉、Cr粉、Te粉按重量要求配比，其中Cr：10-50 %，Te：0.2-1%，Cu：余量，将配比称重后的CuCrTe混合粉在氩气保护下进行球磨混粉，得到球磨混粉后CuCrTe混合粉；同时制备得到CuCr合金粉，其中Cr：0.5-2%，Cu：余量；
S2：3D打印
S2-1：将步骤S1所得CuCr合金粉装入3D打印设备（1）的第一粉槽（3），将步骤S1所得球磨混粉后CuCrTe混合粉装入3D打印设备（1）的第二粉槽（4）；
S2-2：将3D打印的基板（6）安装在成型平台（2）上，随后安装并调平铺粉系统（5），对打印区间及粉槽采用氩气进行洗气，同时导入打印模型和程序，准备打印；
S2-3：按照程序设定首先从第一粉槽（3）开始铺粉打印CuCr复合层，随后从第二粉槽（4）进行铺粉打印CuCrTe触头层，每打印一层则升降机构（8）控制成型平台（2）下降一层铺粉厚度的高度，打印过程中对基板（6）降温至-35℃，同时使用液氮对打印后的熔融金属进行骤冷处理，所述液氮的喷射高度距基板（6）为15-17cm，喷射半径为9-10mm，喷射速度为3.5-4.5m/s，在打印结束前0.5h对基板（6）进行预热处理，持续打印直到得到图纸要求的合金毛坯；
S3：热处理
将步骤S2-3所得合金毛坯进行热处理，热处理温度设定为450-500℃，保温一段时间后冷却降温，保温一段时间后得到热处理后的合金毛坯；
S4：线切割
待热处理结束后，将热处理后合金毛坯从基板（6）取下，进行线切割，得到合金零件；
S5：表面处理
清扫线切割后合金零件表面的粉末，并对合金零件通过喷砂去除表面支撑，达到设计最终要求表面粗糙度及精度。
2.根据权利要求1所述的一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，其特征在于，所述步骤S1混粉中球磨混粉后CuCrTe混合粉的粒径目数为200目。
3.根据权利要求1所述的一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，其特征在于，所述步骤S1混粉中球磨介质使用的是研磨用铜球，CuCrTe混合粉与研磨用铜球的重量比为1:1，混粉时间为5 h。
4.根据权利要求1所述的一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，其特征在于，所述步骤S2-2中洗气时，打开抽真空装置（15）将3D打印设备（1）抽真空，当氧含量小于1000ppm时，打开注氩气装置（16）注入99.99%的氩气，压力控制在22-24 mbar。
5.根据权利要求1所述的一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，其特征在于，所述步骤S2-3中在第一粉槽（3）开始铺粉打印CuCr复合层前，调整位于成型平台（2）下方的控温装置（7），使其将基板（6）温度降至-35℃，同时调整升降杆（9）及伸缩杆（10），使伸缩杆（10）末端的中空旋转板（11）位于激光束的正下方，激光束穿过所述中空旋转板（11）中心的通孔，中空旋转板（11）对打印后的熔融金属进行骤冷处理，通过系统设定使中空旋转板（11）的运动路径与激光束的运动路径一致。
6.根据权利要求5所述的一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，其特征在于，所述中空旋转板（11）的通孔两侧分别设有液氮冷却头（12），打印过程中全程开启，通过系统设定微调中空旋转板（11）旋转使激光束、液氮冷却头（12）与打印路径始终保持在一条直线上，位于激光束前侧的液氮冷却头（12）用于辅助基板（6）对待打印的合金粉末降温，位于激光束后侧的液氮冷却头（12）用于对打印后的熔融金属进行骤冷。
7.根据权利要求1所述的一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，其特征在于，所述步骤S2-3中打印时每层铺粉厚度为20 μm，打印CuCr复合层的激光功率为50-200 kW，扫描速度为100-400 mm/s，激光束直径为180 μm，当打印完CuCr复合层后，打印一层第二粉槽（4）内的CuCrTe混合粉，随后再打印一层第一粉槽（3）内的CuCr合金粉，交替打印3次，开始打印CuCrTe触头层，激光功率为150-500 kW，扫描速度为100-400 mm/s，激光束直径为140μm，通过多层堆积，最终打印得到导入打印模型形状。
8.根据权利要求1所述的一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中3D打印过程中使用全角折射镜（17）将激光器（14）发出的激光束折射后经激光保护镜（18）落入基板（6）上，每打印5-10层使用吸粉装置（13）将成型平台（2）上未使用的粉料收集至回收箱（19）。
9.根据权利要求1所述的一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，其特征在于，所述步骤S2-3中预热处理具体为：在CuCrTe触头层打印结束前0.5 h，即通过系统设定距离打印完成还有15层时，打开控温装置（7）开始对基板（6）进行预热，预热温度为160 ℃。
10.根据权利要求1所述的一种高抗熔焊铜铬细晶复合触头的制备方法，其特征在于，所述步骤S3热处理的具体步骤为：
S3-1：当CuCrTe触头层全部打印结束后，关闭液氮冷却头（12），伸缩杆（10）带动中空旋转板（11）收回，调节控温装置（7）以100-120 ℃/h的升温速度升温至350-400 ℃，随后以60-70 ℃/h的升温速度升温至450-500 ℃，随后保温4h；
S3-2：调节控温装置（7）以140-160 ℃/h的降温速度降温至0-5 ℃，保温1-2 h后取出。
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