CN112680620A - 一种增材制造Ti3AlC2/Cu复合材料电刷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，本发明将多种金属粉先后球磨后制成混合粉，主要由能够经放热反应形成Ti₃AlC₂的混合粉与金属Cu粉，在保护气氛中经激光逐行逐层扫描过程中不仅发生放热反应形成了微量的Ti₃AlC₂，该化合物呈层状结构分布于Cu基合金中，其具有的高导电性和润滑性不仅能够较好导电而且具有一定的润滑性能，因此采用该工艺制作的电刷在使用中既可以降低摩擦及摩擦热，又可以发挥良好导电的作用。

Description

一种增材制造Ti3AlC2/Cu复合材料电刷的方法

技术领域

本发明属于增材制造制作领域，主要涉及采用激光选区熔化金属混合粉制造导电用电刷的技术。

背景技术

目前，电刷是电机的一个重要组成元件，负责在旋转部件与静止部件之间传导电流。由于电刷经常滑动且需要导电，因此对润滑、耐磨、导电性提出了较高的要求。作为电刷，根据不同的应用，电刷通常部分由金属部件(铜，银，钼)或完全由金属制成。一般电刷多采用铜及铜合金制成，但其耐磨性差，应用范围受到严重限制。通过采用合适的技术手段，在铜基合金中掺入润滑剂和增强相，从而形成铜基润滑材料，可显著提高其减摩耐磨性。由于润滑剂可减小零件接触表面间的摩擦和磨损，润滑油、脂等润滑剂广泛应用于大多数工业领域，但在高温、重载、真空、强腐蚀等环境中使用时粘性下降且性能衰减，容易导致零件磨损加剧，尤其在要求导电的场合时不利于导电，并易造成环境污染，而固体润滑剂具有化学性质基本稳定、使用温度范围广、环境污染小的特点。

增材制造是以计算机三维设计模型或通过逆向工程得到其三维模型，采用软件分层离散获得扫描轨迹，经数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料等特殊材料进行逐层堆积黏结，制造出实体产品。与传统制造业通过模具成形，或车、铣等机械加工方式制造生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。增材制造不需要复杂的模具和工艺，制造复杂形状方面具有良好的适应性，可生成近乎任何形状的零件，使生产制造得以向更广的应用领域延伸。电刷为易损件，尺寸小，形状较复杂，对力学性能要求低，切削加工成本较高，采用增材制造方法可以快速制造所需的单个或少数电刷，具有较大的优势。Ti₃AlC₂同时具有金属和陶瓷的双重特性，其像金属一样具有良好的导电性能和导热性能，同时，它也具有陶瓷的特性，具有较好的自润滑性能、高热稳定性、高屈服强度和良好抗氧化性。采用添加一定Ti₃AlC₂的金属粉末进行增材制造，不仅能够提高制品的润滑性能，而且Ti₃AlC₂良好的导电性又不会影响作为电刷的导电功能。

发明内容

本发明主要解决电刷在使用时因摩擦造成的磨损、发热氧化导致导电效果不佳等，采用激光选区熔化添加自润滑的Cu基合金材料制成零件，在使用过程中零件表面形成润滑膜减少摩擦和磨损。采用增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷包括下述工艺步骤：

1.一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，采用激光选区熔化的方法制造具有自润滑功能电刷的方法，其特征在于，所述的制造方法包括以下步骤：

步骤一、配料和球磨：将原料Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、胶黏剂按照摩尔比2.8-3：0.5-0.8：1-1.2：1.1-1.2：0.1～0.15进行配料，其中Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉的纯度为99.5～100％，粒度1～25μm。然后加入2-5倍质量大小不同的玛瑙球，在高速球磨机上球磨4-12h，制成粒度在0.1～5μm的润滑粉末。

步骤二、将润滑粉末与粒度1～10μm的铜粉进行混合作为增材制造的原料，其中Cu粉的纯度为99.5～100％。

步骤三、设计或建立电刷三维模型，其尺寸不大于250mm×250mm×325mm，利用切片技术将电刷的连续三维计算机模型离散成具有20～30μm厚度分层顺序的切片，并将其转换成一系列的二维平面数据，依据每一层切片产生的轮廓设计扫描轨迹。

步骤四、在保护气氛工作室将增材制造的原料逐层铺粉，按照设计的扫描轨迹采用激光选区熔化方法制作电刷，具体参数：在保护气氛工作室内，以激光为热源，其功率为100～200W，激光光斑直径25～50μm、扫描速度2500～28000mm/min、铺粉层厚0.02mm～0.04mm。

步骤五、从保护气氛工作室取出电刷，进行清理后，在260℃～350℃进行30min～45min退火处理后即为成品。

本发明的有益效果：

(1)采用含有Ti₃AlC₂的Cu基合金能够使得制造的电刷具有较好润滑性，避免了因使用中的摩擦而导致的热、磨损、氧化等，而且Ti₃AlC₂具有较好的导电功能，使得电刷不仅润滑良好，而且导电性能也良好。

(2)采用增材制造的方法，可以直接成型，替换破坏的电刷，具有快捷方便。

(3)该金属混合粉也可用于增材制造其他导电且运动的制品。

具体实施方式

实施例1：

1.一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，采用激光选区熔化的方法制造具有自润滑功能电刷的方法，其特征在于，所述的制造方法包括以下步骤：

步骤一、配料和球磨：将原料Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、胶黏剂按照摩尔比2.8：0.5：1：1.1：0.1进行配料，其中Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉的纯度为99.5～100％，粒度1～25μm。然后加入2倍质量大小不同的玛瑙球，在高速球磨机上球磨4h，制成粒度在0.5～5μm的润滑粉末，

步骤二、将润滑粉末与粒度1～10μm的铜粉进行混合作为增材制造的原料，其中Cu粉的纯度为99.5～100％。

步骤三、设计或建立电刷三维模型，其尺寸不大于250mm×250mm×325mm，利用切片技术将连续的三维计算机模型离散成具有30μm厚度分层顺序的切片，将电刷的三维实体模型转换成一系列的二维平面数据，依据每一层切片产生的轮廓设计扫描轨迹。

步骤四、在保护气氛工作室将增材制造的原料逐层铺粉，按照设计的扫描轨迹进行激光选区熔化方法制作电刷，具体参数：在保护气氛工作室内，以激光为热源，其功率为100W，激光光斑直径25μm，扫描速度2500mm/min，铺粉层厚0.04mm。

步骤五、从保护气氛工作室取出电刷，进行清理，然后在260℃进行30min退火处理后即为成品。

经实验表明，采用激光选取熔化的方法制作的Cu基合金电刷基本致密，其表面较光滑，在激光扫描过程中能够促使Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、胶黏剂等发生放热反应形成Ti₃AlC₂化合物，该化合物分布于Cu基合金中，在使用磨损过程中Ti₃AlC₂可以在Cu基合金中形成润滑膜，有利于降低摩擦，并且导电性能较好。

实施例2：

1.一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，采用激光选区熔化的方法制造具有自润滑功能电刷的方法，其特征在于，所述的制造方法包括以下步骤：

步骤一、配料和球磨：将原料Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、胶黏剂按照摩尔比3：0.8：1.2：1.2：0.15进行配料，其中Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉的纯度为99.5～100％，粒度1～25μm。然后加入5倍质量大小不同的玛瑙球，在高速球磨机上球磨12h，制成粒度在0.1～3μm的润滑粉末。

步骤二、将润滑粉末与粒度1～10μm的铜粉进行混合作为增材制造的原料，其中Cu粉的纯度为99.5～100％。

步骤三、设计或建立电刷三维模型，其尺寸不大于250mm×250mm×325mm，利用切片技术将连续的三维计算机模型离散成具有20μm厚度分层顺序的切片，进而将电刷的三维实体模型转换成一系列的二维平面数据，依据每一层切片产生的轮廓设计扫描轨迹。

步骤四、在保护气氛工作室将增材制造的原料逐层铺粉，按照设计的扫描轨迹进行激光选区熔化方法制作电刷，具体参数：在保护气氛工作室内，以激光为热源，其功率为200W，激光光斑直径50μm、扫描速度28000mm/min、铺粉层厚0.02mm。

步骤五、从保护气氛工作室取出电刷，进行清理和并在350℃进行45min退火处理后即为成品。

经实验表明，采用激光选区熔化的方法，能够将其中的Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、胶黏剂混合物等点燃发生放热反应形成Ti₃AlC₂化合物，该化合物均匀分布于Cu基合金中，基本致密，制作的电刷表面基本光滑，经磨损实验测试，磨损时Ti₃AlC₂化合物能够在Cu基合金中形成润滑膜，有利于电刷降低摩擦，而且导电性能较好。

实施例3：

1.一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，采用激光选区熔化的方法制造具有自润滑功能电刷的方法，其特征在于，所述的制造方法包括以下步骤：

步骤一、配料和球磨：将原料Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、胶黏剂按照摩尔比2.9：0.6：1.1：1.15：0.2进行配料，其中Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉的纯度为99.5～100％，粒度1～25μm。然后加入3倍质量大小不同的玛瑙球，在高速球磨机上球磨8h，制成粒度在0.3～5μm的润滑粉末，

步骤二、将润滑粉末与粒度1～10μm的铜粉进行混合作为增材制造的原料，其中Cu粉的纯度为99.5～100％。

步骤三、设计或建立电刷三维模型，其尺寸不大于250mm×250mm×325mm，利用切片技术将连续的三维计算机模型离散成具有25μm厚度分层顺序的切片，进而将电刷的三维实体模型转换成一系列的二维平面数据，依据每一层切片产生的轮廓设计扫描轨迹。

步骤四、在保护气氛工作室将增材制造的原料逐层铺粉，按照设计的扫描轨迹进行激光选区熔化方法制作电刷，具体参数：在保护气氛工作室内，以激光为热源，其功率为150W，激光光斑直径40μm，扫描速度7000mm/min，铺粉层厚0.03mm。

步骤五、从保护气氛工作室取出电刷，进行清理，然后在300℃进行38min退火处理后即为成品。

经实验表明，采用激光选区熔化添加Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、胶黏剂等的Cu基合金制作电刷，制作时间较短，在制作时能够发生放热反应形成Ti₃AlC₂化合物，该化合物均匀分布于Cu基合金中，制作的电刷表面基本光滑，经磨损实验测试，可以在Cu基合金中形成润滑膜，有利于降低电刷摩擦，而且导电性能较好。该方法也可用于制作其他需要导电且运动的零部件。

实施例4：

1.一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，采用激光选区熔化的方法制造具有自润滑功能电刷的方法，其特征在于，所述的制造方法包括以下步骤：

步骤一、配料和球磨：将原料Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、胶黏剂按照摩尔比2.8：0.7：1.2：1.1：0.12进行配料，其中Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉的纯度为99.5～100％，粒度1～25μm。然后加入4倍质量大小不同的玛瑙球，在高速球磨机上球磨6h，制成粒度在0.2～5μm的润滑粉末。

步骤二、将润滑粉末与粒度1～10μm的铜粉进行混合作为增材制造的原料，其中Cu粉的纯度为99.5～100％。

步骤三、设计或建立电刷三维模型，其尺寸不大于250mm×250mm×325mm，利用切片技术将连续的三维计算机模型离散成具有25μm厚度分层顺序的切片，进而将电刷的三维实体模型转换成一系列的二维平面数据，依据每一层切片产生的轮廓设计扫描轨迹。

步骤四、在保护气氛工作室将增材制造的原料逐层铺粉，按照设计的扫描轨迹进行激光选区熔化方法制作电刷，具体参数：在保护气氛工作室内，以激光为热源，其功率为180W，激光光斑直径30μm，扫描速度6000mm/min，铺粉层厚0.025mm。

步骤五、从保护气氛工作室取出电刷，进行清理后在300℃进行40min退火处理即为成品。

经实验表明，采用激光选区熔化的方法，能够促使Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、胶黏剂等发生放热反应形成Ti₃AlC₂化合物，该化合物弥散分布于Cu基合金中，制作的电刷表面基本光滑，经磨损实验测试，在Cu基合金中形成润滑膜，有利于降低摩擦，而且导电性能较好。

Claims (7)

1.一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，采用激光选区熔化的方法制造具有自润滑功能电刷的方法，其特征在于，所述的制造方法包括以下步骤：

步骤一、配料和球磨：将原料Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、胶黏剂按照一定比例进行配料，加入2-5倍质量大小不同的玛瑙球，在高速球磨机上球磨4-12h，制成粒度在0.1～5μm的润滑粉末；

步骤二、将润滑粉末与粒度1～10μm的铜粉进行混合，作为增材制造的原料；

步骤三、设计或建立电刷三维模型，并进行切片，设计扫描轨迹；

步骤四、在保护气氛工作室将增材制造的原料逐层铺粉，按照设计的扫描轨迹进行激光选区熔化方法制作电刷；

步骤五、从保护气氛工作室取出电刷，进行清理和热处理后即为成品。

2.根据权利要求1所述的一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，其特征在于：所述的配料是将Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、胶黏剂按照摩尔比2.8-3：0.5-0.8：1-1.2：1.1-1.2：0.1～0.15进行配料。

3.根据权利要求1所述的一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，其特征在于：所述的Ti粉、TiC粉、Al粉、碳粉、Cu粉的纯度为99.5～100％。

4.根据权利要求1所述的一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，其特征在于：所述的电刷，其尺寸不大于250mm×250mm×325mm。

5.根据权利要求1所述的一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，其特征在于：所述的设计扫描轨迹是根据电刷的三维实体模型，利用切片技术将连续的三维计算机模型离散成具有20～30μm厚度分层顺序的切片，进而转换成一系列的二维平面数据，依据每一层切片产生的轮廓设计扫描轨迹。

6.根据权利要求1所述的一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，其特征在于：所述的激光选区熔化方法，具体参数为：在保护气氛工作室内，以激光为热源，其功率为100～200W，激光光斑直径25～50μm、扫描速度2500～28000mm/min、铺粉层厚0.02mm～0.04mm。

7.根据权利要求1所述的一种增材制造Ti₃AlC₂/Cu复合材料电刷的方法，其特征在于：所述的热处理为在260℃～350℃进行30min～45min退火。