CN112605396B - 一种激光选区熔化成形铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的方法 - Google Patents

一种激光选区熔化成形铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

一种激光选区熔化成形铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的方法，该方法的特点为：(1)将要制备的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料零件CAD模型分层切片，生成一系列激光选区熔化成形二维扫描轨迹；(2)根据生成的扫描轨迹，逐点、逐线、逐层堆积成三维实体的铜基偏晶复合材料。其中，铜基复合粉末主要由铁基非晶粉末与铜合金粉末按1:9～1:7的质量比组成。采用该方法制备的铜基偏晶复合材料的电导率为50～70％IACS，耐蚀性能是黄铜的1～3倍，耐磨性能是黄铜的8～15倍。

Description

一种激光选区熔化成形铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的 方法
技术领域
本发明涉及一种激光选区熔化成形铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的方法，属于激光增材制造(3D打印)技术领域。
背景技术
近年来，具有液相分离特征以及独特物理和力学性能的均质偏晶合金，可用作自润滑材料、超导材料、电接触材料与高矫顽力永磁体等，正受到越来越多的研究者的广泛关注。一般而言，液相分离是凝聚态系统(如聚合物和合金)常见的一种现象，如Cu-Co，Cu-Fe，Ai-Bi，Fe-Ag和Cu-Sn等，当过冷至液相分离温度以下时，进入亚稳态难混溶区间，发生液相分离，微观组织演化呈现三个阶段：首先，相分离过程的自发进行，合金熔体发生液相分离形成两种熔体L1与L2(L1是次生相合金熔体，L2是主体相合金熔体)，含量小于50％的液相由于表面张力会自发地收缩成大量小液滴，含量大于50％的液相作为基体液相；然后，主体相合金熔体进入结晶过程；最后，小液滴进入凝固阶段并且在马兰格尼与斯托克斯的作用下，自主装形成弥散的球状颗粒弥散分布于基体内。
尤其是铜铁基偏晶合金，兼具铜的高导热特征与铁的价格低廉、软磁特征，以及优异的力学与物理性能引起了研究者的广泛关注。但是，传统制造方法如熔铸等制备铜铁偏晶合金时，富铁液滴在马兰格尼与斯托克斯的作用下，极易产生分层或宏观偏析，极大地限制了铜铁基偏晶合金的应用领域。早期大量的地研究结果表明：在高温下，由于铜与铁的密度差，导致在斯托克斯力的作用下产生宏观偏析所致。但是，即使在太空或微重力条件下，宏观偏析也很难避免，导致在地面重力或落管等条件下，常规的气雾法、甩带法、粉末冶金、磁悬浮法等很难制备工程用的大尺寸块体匀质铜铁偏晶合金。
近年来，具有冷却速度高达103～108K/s、能够实现结构功能一体化设计与制造的激光选区熔化技术得到迅猛发展。在快速加热与快速凝固条件下，富铁液滴的斯托克斯运动可以忽略，对于制造大尺寸块体均质铜铁偏晶合金提供了一种有效的途径。由于非晶合金具有高强度、高硬度、优异的耐磨性和耐蚀性，使用非晶合金作为增强相来制备金属基复合材料，进而改善合金的性能。尤其是铁基非晶合金作为非晶合金中的一员，因其优异的物理、化学与机械性能以及低廉的成本，受到了研究者的广泛关注，如Zhang等人(Zhang Y J,Zhang J L,Yan Q,et al.Amorphous alloy strengthened stainless steelmanufactured by selective laser melting:Enhanced strength and improvedcorrosion resistance.Scripta Materialia,2018,148:20-23)通过引入铁基非晶合金增强了不锈钢的强度和耐磨性，结果表明：铁基非晶合金强化的不锈钢的抗拉强度从～819MPa增加到～1090MPa，且复合合金具有较低的摩擦系数(从0.62到0.49)和较强的耐蚀性。Wang等人(Wang Z,Scudino S,Stoica M,et al.Al-based matrix compositesreinforced with short Fe-based metallic glassy fiber.Journal of Alloys andCompounds,2015,651:170-175)还使用铁基非晶纤维来增强铝基复合材料，发现复合材料的强度随着铁基非晶纤维的添加而增加。但是，迄今为止，未发现国内外有关于采用激光选区熔化成形技术制备铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的研究报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光选区熔化成形块体铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的方法。本发明是这样来实现的，其方法与步骤为：
(1)将铜基复合粉末在球磨机内混合均匀，然后放置于激光选区熔化成形机的盛粉器内，球磨机混粉工艺参数为：球磨机转速为60转/分，球磨气氛为氦气，球磨介质为乙醇，氧化锆磨球与铜基偏晶复合粉末质量比为20：1，氧化锆磨球直径为8mm，采用球磨20分钟然后暂停15分钟的方法球磨60小时，球磨后铜基偏晶复合粉末粒径为40～60μm；
(2)将铜基复合粉末作为激光选区熔化的成形粉末，它的化学成分为：铜基复合粉末主要由铁基非晶粉末与铜合金粉末按1:9～1:7的质量比组成，铁基非晶粉末的化学成分为：W 8～10wt.％，Cr 4～6wt.％，Mo 1～3wt.％，Ni 1～3wt.％，Si 3～5wt.％，B 3～5wt.％，C 0.2～1wt.％，Mn 0.2～1.5wt.％，HfO2 0.8～1.5wt.％，余量为Fe；铜合金粉末的化学成分为：Cr 0.5～2wt.％，Zr 1～3wt.％，P 3～5wt.％，CeO2 0.2～1wt.％，余量为Cu。
(3)将带有支撑结构的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料零件CAD模型分层切片，根据切片轮廓信息生成一系列激光选区熔化成形二维扫描轨迹；将激光选区熔化成形室抽成真空，然后充入氩气；将表面经过除锈与喷砂处理的碳钢板加热到500～650℃；根据生成的扫描轨迹，采用激光选区熔化的方法逐点、逐线、逐层堆积成三维实体的铜基偏晶复合材料。
本发明在进行所述的步骤(3)时，制备支撑结构的工艺参数为：光纤激光器波长为1060nm，激光功率为200W，支撑结构高度为3mm，激光扫描速度为480mm/s，分层切片厚度为60μm，搭接率为60％；制备铁基非晶增强铜基偏晶复合材料零件的工艺参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为500～2000mm/s，分层切片厚度为60～100μm，搭接率为50～70％，采用连续两层间激光扫描方向相互垂直的路径方式成形，直到完成铜基偏晶复合材料零件制造。
本发明在进行所述的步骤(3)时，获得的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的显微结构特征为：大量10～20微米的球形α-Fe颗粒均匀镶嵌于ε-Cu基体内，其中，α-Fe颗粒内析出大量富含W与Cr的M12C与M23C6碳化物；获得的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的电导率为50～70％IACS，耐蚀性能是黄铜的1～3倍，耐磨性能约是黄铜的8～15倍。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
(1)可以制备形状复杂的块体铁基非晶增强铜基偏晶复合材料；(2)由于液相分离，在凝固速度高达108K/s条件下，块体铁基非晶增强铜基偏晶复合材料主要由：ε-Cu基体、球形α-Fe颗粒组成，其中，α-Fe颗粒内析出大量富含W与Cr的M12C与M23C6碳化物；(3)块体铁基非晶增强铜基偏晶复合材料电导率为50～70％IACS，耐蚀性能是黄铜的1～3倍，耐磨性能约是黄铜的8～15倍。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例(一)
将经过除锈与喷砂处理的碳钢板作为基材，采用激光选区熔化成形的方法制备块体铁基非晶增强铜基偏晶复合材料，由于液相分离，在凝固速度高达108K/s条件下，获得的块体铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的显微结构特征为：大量10～20微米的球形α-Fe颗粒均匀镶嵌于ε-Cu基体内，其中，α-Fe颗粒内析出大量富含W与Cr的M12C与M23C6碳化物获得的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的电导率为50％IACS，耐蚀性能是黄铜的3倍，耐磨性能约是黄铜的15倍。具体实施过程如下：
(1)将铜基复合粉末在球磨机内混合均匀，然后放置于激光选区熔化成形机的盛粉器内，球磨机混粉工艺参数为：球磨机转速为60转/分，球磨气氛为氦气，球磨介质为乙醇，氧化锆磨球与铜基偏晶复合粉末质量比为20:1，氧化锆磨球直径为8mm，采用球磨20分钟然后暂停15分钟的方法球磨60小时，球磨后铜基偏晶复合粉末粒径为40～60μm；
(2)将铜基复合粉末作为激光选区熔化的成形粉末，铜基复合粉末主要由铁基非晶粉末与铜合金粉末按1:7的质量比组成，铁基非晶粉末的化学成分为：W 10wt.％，Cr6wt.％，Mo 3wt.％，Ni 3wt.％，Si 5wt.％，B 5wt.％，C 0.3wt.％，Mn 1.5wt.％，HfO21.5wt.％，余量为Fe；铜合金粉末的化学成分为：Cr 0.5wt.％，Zr 1.0wt.％，P 3.0wt.％，CeO2 1.0wt.％，余量为Cu；
(3)将带有支撑结构的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料零件CAD模型分层切片，根据切片轮廓信息生成一系列激光选区熔化成形二维扫描轨迹；将激光选区熔化成形室抽成真空，然后充入氩气；将表面经过除锈与喷砂处理的碳钢板加热到650℃；根据生成的扫描轨迹，采用激光选区熔化的方法逐点、逐线、逐层堆积成三维实体的铜基偏晶复合材料。
制备支撑结构的工艺参数为：光纤激光器波长为1060nm，激光功率为200W，支撑结构高度为3mm，激光扫描速度为480mm/s，分层切片厚度为60μm，搭接率为60％；制备铁基非晶增强铜基偏晶复合材料零件的工艺参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为800mm/s，分层切片厚度为100μm，搭接率为70％，采用连续两层间激光扫描方向相互垂直的路径方式成形，直到完成铜基偏晶复合材料零件制造。
实施例(二)
将经过除锈与喷砂处理的碳钢板作为基材，采用激光选区熔化成形的方法制备块体铁基非晶增强铜基偏晶复合材料，由于液相分离，在凝固速度高达108K/s条件下，获得的块体铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的显微结构特征为：大量10～20微米的球形α-Fe颗粒均匀镶嵌于ε-Cu基体内，其中，α-Fe颗粒内析出大量富含W与Cr的M12C与M23C6碳化物获得的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的电导率为60％IACS，耐蚀性能是黄铜的2倍，耐磨性能约是黄铜的10倍。具体实施过程如下：
(1)将铜基复合粉末在球磨机内混合均匀，然后放置于激光选区熔化成形机的盛粉器内，球磨机混粉工艺参数为：球磨机转速为60转/分，球磨气氛为氦气，球磨介质为乙醇，氧化锆磨球与铜基偏晶复合粉末质量比为20:1，氧化锆磨球直径为8mm，采用球磨20分钟然后暂停15分钟的方法球磨60小时，球磨后铜基偏晶复合粉末粒径为40～60μm；
(2)将铜基复合粉末作为激光选区熔化的成形粉末，铜基复合粉末主要由铁基非晶粉末与铜合金粉末按1:8的质量比组成，铁基非晶粉末的化学成分为：W 9.0wt.％，Cr5.0wt.％，Mo 2.0wt.％，Ni 2.0wt.％，Si 4.0wt.％，B 4.0wt.％，C 0.8wt.％，Mn0.8wt.％，HfO2 1.2wt.％，余量为Fe；铜合金粉末的化学成分为：Cr 1.5wt.％，Zr2.0wt.％，P 4.0wt.％，CeO2 0.6wt.％，余量为Cu；
(3)将带有支撑结构的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料零件CAD模型分层切片，根据切片轮廓信息生成一系列激光选区熔化成形二维扫描轨迹；将激光选区熔化成形室抽成真空，然后充入氩气；将表面经过除锈与喷砂处理的碳钢板加热到600℃；根据生成的扫描轨迹，采用激光选区熔化的方法逐点、逐线、逐层堆积成三维实体的铜基偏晶复合材料。
制备支撑结构的工艺参数为：光纤激光器波长为1060nm，激光功率为200W，支撑结构高度为3mm，激光扫描速度为480mm/s，分层切片厚度为60μm，搭接率为60％；制备铁基非晶增强铜基偏晶复合材料零件的工艺参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为1500mm/s，分层切片厚度为80μm，搭接率为60％，采用连续两层间激光扫描方向相互垂直的路径方式成形，直到完成铜基偏晶复合材料零件制造。
实施例(三)
将经过除锈与喷砂处理的碳钢板作为基材，采用激光选区熔化成形的方法制备块体铁基非晶增强铜基偏晶复合材料，由于液相分离，在凝固速度高达108K/s条件下，获得的块体铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的显微结构特征为：大量10～20微米的球形α-Fe颗粒均匀镶嵌于ε-Cu基体内，其中，α-Fe颗粒内析出大量富含W与Cr的M12C与M23C6碳化物获得的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的电导率为70％IACS，耐蚀性能是黄铜的1倍，耐磨性能约是黄铜的8倍。具体实施过程如下：
(1)将铜基复合粉末在球磨机内混合均匀，然后放置于激光选区熔化成形机的盛粉器内，球磨机混粉工艺参数为：球磨机转速为60转/分，球磨气氛为氦气，球磨介质为乙醇，氧化锆磨球与铜基偏晶复合粉末质量比为20：1，氧化锆磨球直径为8mm，采用球磨20分钟然后暂停15分钟的方法球磨60小时，球磨后铜基偏晶复合粉末粒径为40～60μm；
(2)将铜基复合粉末作为激光选区熔化的成形粉末，铜基复合粉末主要由铁基非晶粉末与铜合金粉末按1:9的质量比组成，铁基非晶粉末的化学成分为：W 8.0wt.％，Cr4.0wt.％，Mo 1.0wt.％，Ni 1.0wt.％，Si 3.0wt.％，B 3.0wt.％，C 0.25wt.％，Mn0.3wt.％，HfO2 0.85wt.％，余量为Fe；铜合金粉末的化学成分为：Cr 0.6wt.％，Zr1.5wt.％，P 3.2wt.％，CeO2 0.3wt.％，余量为Cu；
(3)将带有支撑结构的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料零件CAD模型分层切片，根据切片轮廓信息生成一系列激光选区熔化成形二维扫描轨迹；将激光选区熔化成形室抽成真空，然后充入氩气；将表面经过除锈与喷砂处理的碳钢板加热到500℃；根据生成的扫描轨迹，采用激光选区熔化的方法逐点、逐线、逐层堆积成三维实体的铜基偏晶复合材料。
制备支撑结构的工艺参数为：光纤激光器波长为1060nm，激光功率为200W，支撑结构高度为3mm，激光扫描速度为480mm/s，分层切片厚度为60μm，搭接率为60％；制备铁基非晶增强铜基偏晶复合材料零件的工艺参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为2000mm/s，分层切片厚度为60μm，搭接率为50％，采用连续两层间激光扫描方向相互垂直的路径方式成形，直到完成铜基偏晶复合材料零件制造。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种激光选区熔化成形铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将铜基复合粉末在球磨机内混合均匀，然后放置于激光选区熔化成形机的盛粉器内，球磨机混粉工艺参数为：球磨机转速为60转/分，球磨气氛为氦气，球磨介质为乙醇，氧化锆磨球与铜基偏晶复合粉末质量比为20:1，氧化锆磨球直径为8mm，采用球磨20分钟然后暂停15分钟的方法球磨60小时，球磨后铜基复合粉末粒径为40~60μm；
（2）将铜基复合粉末作为激光选区熔化的成形粉末，它的化学成分为：铜基复合粉末主要由铁基非晶粉末与铜合金粉末按1:9~1:7的质量比组成，铁基非晶粉末的化学成分为：W8~10 wt.%，Cr 4~6 wt.%，Mo 1~3 wt.%，Ni 1~3 wt.%，Si3~5 wt.%，B 3~5 wt.%，C0.2~1wt.%，Mn0.2~1.5 wt.%，HfO2 0.8~1.5 wt.%，余量为Fe；铜合金粉末的化学成分为：Cr 0.5~2 wt.%，Zr 1~3 wt.%，P 3~5 wt.%，CeO2 0.2~1 wt.%，余量为Cu；
（3）将带有支撑结构的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料零件CAD模型分层切片，根据切片轮廓信息生成一系列激光选区熔化成形二维扫描轨迹；将激光选区熔化成形室抽成真空，然后充入氩气；将表面经过除锈与喷砂处理的碳钢板加热到500~650℃；根据生成的扫描轨迹，采用激光选区熔化的方法逐点、逐线、逐层堆积成三维实体的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料；
获得的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的显微结构特征为：由于液相分离，在凝固速度高达108K/s条件下，大量10~20微米的球形α-Fe颗粒均匀镶嵌于ε-Cu基体内，其中，α-Fe颗粒内析出大量富含W与Cr的M12C与M23C6碳化物；获得的铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的电导率为50~70%IACS，耐蚀性能是黄铜的1~3倍，耐磨性能约是黄铜的8~15倍。
2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形铁基非晶增强铜基偏晶复合材料的方法，其特征在于进行所述的步骤（3）时，制备支撑结构的工艺参数为：光纤激光器波长为1060nm，激光功率为200W，支撑结构高度为3mm，激光扫描速度为480mm/s，分层切片厚度为60μm，搭接率为60%；制备铁基非晶增强铜基偏晶复合材料零件的工艺参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为500~2000mm/s，分层切片厚度为60~100μm，搭接率为50~70%，采用连续两层间激光扫描方向相互垂直的路径方式成形，直到完成铜基偏晶复合材料零件制造。
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