CN112647075B

CN112647075B - 一种激光选区熔化成形高强韧高耐蚀铜基合金的方法

Info

Publication number: CN112647075B
Application number: CN202011430745.3A
Authority: CN
Inventors: 周圣丰; 王小健; 杨俊杰; 易艳良; 张治国; 李卫
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2040-12-09
Also published as: CN112647075A

Abstract

一种激光选区熔化成形高强韧高耐蚀铜基合金的方法，该方法的特点为：(1)将铜基合金零件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；(2)根据生成的扫描轨迹，采用激光选区熔化的方法逐将专用铜基合金粉末逐点、逐线、逐层堆积成三维实体的铜基合金。采用激光选区熔化的方法制备的铜基合金具有双相异质的显微结构，可以一步实现高强韧高耐蚀铜基合金的结构性能一体化设计与制造，避免常规方法如熔铸之后多道次轧制等存在工艺复杂与多步成型以及无法满足个性化与柔性化制造的问题。

Description

一种激光选区熔化成形高强韧高耐蚀铜基合金的方法

技术领域

本发明涉及一种激光选区熔化成形高强韧高耐蚀铜基合金的方法，属于激光增材制造（3D打印）技术领域。

背景技术

铜及铜合金具有优异的导电性、导热性、塑性与韧性，在电子器件、冶金装备、航空与国防等领域具有广泛的应用。但是，铜及铜合金的强度低与耐磨差，大大降低了其使用寿命，从而极大地限制了其应用范围。目前，通常采用电镀与等离子喷涂的方法提高铜及铜合金表面性能。其中，电镀层厚度很薄，与基体呈结合力差的化学性结合；等离子喷涂层孔隙率高，与基体呈机械结合，在使用过程中易剥落。

一般而言，金属材料强度提升的同时，伴随着塑性与韧性的降低，强度－塑性（或韧性）呈倒置关系，而且强度越高这种倒置关系越明显。因此，高强度伴随的低塑性和低韧性一直成为阻碍金属材料科学发展与工程应用的瓶颈问题之一。近年来，在铜及铜合金中引入纳米孪晶既可阻碍位错运动提高强度，又可存储位错提高塑性与韧性，这种协同提高铜及铜合金的强度与塑性（韧性）的特性，受到研究者广泛关注。

目前，制备纳米孪晶结构的常用方法：脉冲电沉积、磁控溅射、剧烈塑性变形或退火再结晶等。但是，这些方法制备具有纳米孪晶结构的铜及铜合金通常尺寸较薄，很难获得纳米孪晶铜及铜合金结构件。此外，在金属基体内引入具有韧性特征的纳米颗粒作为强化相，可以有效阻碍裂纹扩展而提高塑性，形成这种“软-硬”异质结构，对于提高铜及铜合金强韧性具有十分重要的意义。但是，采用激光选区熔化成形技术，在铜及铜合金内只需一步即可制备出同时具有纳米孪晶与原位纳米颗粒，起到协同增强铜及铜合金强韧性及耐蚀性，实现高性能铜及铜合金结构性能一体化设计与制造，还未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光选区熔化成形高强韧高耐蚀铜基合金的方法。本发明是这样来实现的，其方法与步骤为：

（1）将铜基复合材料合金零件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；

（2）将铜基合金粉末作为激光选区熔化的成形粉末，它的化学成分为：Fe 19.6~34.1 wt.%，Cr 4.9~8.2 wt.%，Ni 3.4~5.6 wt.%，Mo 0.64~1.1 wt.%，C 0.006~0.01 wt.%，Si 0.11~0.19 wt.%，Mn 0.42~0.71 wt.%，S 0.003~0.005 wt.%，P 0.001~0.02 wt.%，余量为Cu，粉末粒度为30~50微米；

（3）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100~200℃；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合金；

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：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500mm/s，分层切片厚度为80μm，搭接率为70%；制备铜基合金零件的工艺参数为：激光功率为180~200W，激光扫描速度为300~600mm/s，分层切片厚度为50~100μm，搭接率为60~70%，采用连续两层间激光扫描方向相互垂直的路径方式成形，直到完成铜基合金零件制造。

本发明在进行所述的步骤（3）时，获得的高强高耐蚀铜基合金的显微结构特征为：作为基体，具有大角度晶界与面心立方结构的ε-Cu内分布有片层厚度为5~10nm的纳米孪晶；由于液相分离而自组装形成的具有面心立方结构的纳米γ-Fe颗粒内分布有大量纳米孪晶；这些γ-Fe颗粒均匀分布于ε-Cu内；ε-Cu内固溶有过饱和的Fe与Ni；γ-Fe内固溶有大量的Cr与Ni以及过饱和的Cu；该铜基合金的电导率为60~80%IACS，室温拉伸断裂强度达0.6~1.3GPa，延伸率达10~30%；在3.5 wt.%NaCl溶液、0.5 M 盐酸或硫酸溶液以及盐酸与硫酸的混合溶液腐蚀介质中，激光选区熔化成形铜基合金的抗电化学腐蚀性能高于商用黄铜。

本发明的优点是：（1）可以制备高强韧高耐蚀铜基合金；（2）铜基合金主要由ε-Cu基体与纳米γ-Fe颗粒组成，前者具有大角度晶界与面心立方结构以及内部分布有高密度纳米孪晶，后者具有面心立方结构且内部分布有大量纳米孪晶；（3）铜基合金呈“软－硬”结构特征，ε-Cu基体为软相，纳米γ-Fe颗粒为硬相；（4）该铜基合金的室温拉伸断裂强度达0.6~1.3GPa，延伸率达10~30%；在3.5 wt.%NaCl溶液、0.5 M 盐酸或硫酸溶液以及盐酸与硫酸的混合溶液等腐蚀介质中，激光选区熔化成形铜基合金的抗电化学腐蚀性能高于商用黄铜。

具体实施方式

下面结合实施例和附图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。

实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。

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高强韧高耐蚀铜基合金，获得的块体纳米孪晶铜基复合材料的显微结构特征为：作为基体，具有大角度晶界与面心立方结构的ε-Cu内分布有片层厚度为5~10nm的纳米孪晶；由于液相分离而自组装形成的具有面心立方结构的纳米γ-Fe颗粒内分布有大量纳米孪晶；这些γ-Fe颗粒均匀分布于ε-Cu内；ε-Cu内固溶有过饱和的Fe与Ni；γ-Fe内固溶有大量的Cr与Ni以及过饱和的Cu；该铜基合金的80%IACS，室温拉伸断裂强度达0.6GPa，延伸率达30%；在3.5wt.%NaCl溶液、0.5 M 盐酸或硫酸溶液以及盐酸与硫酸的混合溶液腐蚀介质中，激光选区熔化成形铜基合金的抗电化学腐蚀性能高于商用黄铜。具体实施过程如下：

（2）将铜基合金粉末作为激光选区熔化的成形粉末，它的化学成分为：Fe 19.6wt.%，Cr 4.9 wt.%，Ni 3.4 wt.%，Mo 0.64 wt.%，C 0.006 wt.%，Si 0.11 wt.%，Mn 0.42wt.%，S 0.003 wt.%，P 0.001 wt.%，余量为Cu，粉末粒度为30微米；

（3）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100℃；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合金；

制备支撑结构的工艺参数为：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500mm/s，分层切片厚度为80μm，搭接率为70%；制备铜基合金零件的工艺参数为：激光功率为180W，激光扫描速度为300mm/s，分层切片厚度为50μm，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，直到完成铜基合金零件制造。

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高强韧高耐蚀铜基合金，获得的块体纳米孪晶铜基复合材料的显微结构特征为：作为基体，具有大角度晶界与面心立方结构的ε-Cu内分布有片层厚度为5~10nm的纳米孪晶；由于液相分离而自组装形成的具有面心立方结构的纳米γ-Fe颗粒内分布有大量纳米孪晶；这些γ-Fe颗粒均匀分布于ε-Cu内；ε-Cu内固溶有过饱和的Fe与Ni；γ-Fe内固溶有大量的Cr与Ni以及过饱和的Cu；该铜基合金的70%IACS，室温拉伸断裂强度达0.9GPa，延伸率达20%；在3.5wt.%NaCl溶液、0.5 M 盐酸或硫酸溶液以及盐酸与硫酸的混合溶液腐蚀介质中，激光选区熔化成形铜基合金的抗电化学腐蚀性能高于商用黄铜。具体实施过程如下：

（2）将铜基合金粉末作为激光选区熔化的成形粉末，它的化学成分为：Fe 26.85wt.%，Cr 6.55 wt.%，Ni 4.5 wt.%，Mo 0.78 wt.%，C 0.008 wt.%，Si 0.15 wt.%，Mn 0.59wt.%，S 0.004 wt.%，P 0.01 wt.%，余量为Cu，粉末粒度为40微米；

（3）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150℃；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合金；

制备支撑结构的工艺参数为：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500mm/s，分层切片厚度为80μm，搭接率为70%；制备铜基合金零件的工艺参数为：激光功率为190W，激光扫描速度为480mm/s，分层切片厚度为75μm，搭接率为65%，采用连续两层间激光扫描方向相互垂直的路径方式成形，直到完成铜基合金零件制造。

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高强韧高耐蚀铜基合金，获得的块体纳米孪晶铜基复合材料的显微结构特征为：作为基体，具有大角度晶界与面心立方结构的ε-Cu内分布有片层厚度为5~10nm的纳米孪晶；由于液相分离而自组装形成的具有面心立方结构的纳米γ-Fe颗粒内分布有大量纳米孪晶；这些γ-Fe颗粒均匀分布于ε-Cu内；ε-Cu内固溶有过饱和的Fe与Ni；γ-Fe内固溶有大量的Cr与Ni以及过饱和的Cu；该铜基合金的60%IACS，室温拉伸断裂强度达1.3GPa，延伸率达10%；在3.5wt.%NaCl溶液、0.5 M 盐酸或硫酸溶液以及盐酸与硫酸的混合溶液腐蚀介质中，激光选区熔化成形铜基合金的抗电化学腐蚀性能高于商用黄铜。具体实施过程如下：

（2）将铜基合金粉末作为激光选区熔化的成形粉末，它的化学成分为：Fe 34.1wt.%，Cr 8.2 wt.%，Ni 5.6 wt.%，Mo 1.1 wt.%，C 0.01 wt.%，Si 0.19 wt.%，Mn 0.71wt.%，S 0.005 wt.%，P 0.02 wt.%，余量为Cu，粉末粒度为50微米；

（3）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200℃；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合金；

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：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500mm/s，分层切片厚度为80μm，搭接率为70%；制备铜基合金零件的工艺参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为600mm/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，直到完成铜基合金零件制造。

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

1.一种激光选区熔化成形高强韧高耐蚀铜基合金的方法，其特征在于方法与步骤为：

（2）将铜基合金粉末作为激光选区熔化的成形粉末，它的化学成分为：Fe 19.6~34.1wt.%，Cr 4.9~8.2 wt.%，Ni 3.4~5.6 wt.%，Mo 0.64~1.1 wt.%，C 0.006~0.01 wt.%，Si0.11~0.19 wt.%，Mn 0.42~0.71 wt.%，S 0.003~0.005 wt.%，P 0.001~0.02 wt.%，余量为Cu，粉末粒度为30~50微米；

（3）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100~200℃；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合金。

2.根据权利要求 1所述的一种激光选区熔化成形高强韧高耐蚀铜基合金的方法，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：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500mm/s，分层切片厚度为80μm，搭接率为70%；制备铜基合金零件的工艺参数为：激光功率为180~200W，激光扫描速度为300~600mm/s，分层切片厚度为50~100μm，搭接率为60~70%，采用连续两层间激光扫描方向相互垂直的路径方式成形，直到完成铜基合金零件制造。

3.根据权利要求 1所述的一种激光选区熔化成形高强韧高耐蚀铜基合金的方法，其特征在于进行所述的步骤（3）时，获得的高强高耐蚀铜基合金的显微结构特征为：作为基体，具有大角度晶界与面心立方结构的ε-Cu内分布有片层厚度为5~10nm的纳米孪晶；由于液相分离而自组装形成的具有面心立方结构的纳米γ-Fe颗粒内分布有大量纳米孪晶；这些γ-Fe颗粒均匀分布于ε-Cu内；ε-Cu内固溶有过饱和的Fe与Ni；γ-Fe内固溶有大量的Cr与Ni以及过饱和的Cu；该铜基合金的电导率为60~80%IACS，室温拉伸断裂强度达0.6~1.3GPa，延伸率达10~30%；在3.5 wt.%NaCl溶液、0.5 M 盐酸或硫酸溶液以及盐酸与硫酸的混合溶液腐蚀介质中，激光选区熔化成形铜基合金的抗电化学腐蚀性能高于商用黄铜。