CN112792354B - 一种利用铜钨混合粉3d打印制备铜钨复合触头的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用铜钨混合粉3D打印制备铜钨复合触头的方法，主要包括以下步骤：铜粉末和钨粉末制备、铜钨混合粉末制备、3D打印、样品最终处理，本发明制备的方法中，铜钨复合触头具体做法是在冲压铜件上衔接打印铜钨零件，这样可以节约制造成本，并且打印的零件与复合界面细密无孔洞，打印的铜钨端零件致密、成分均匀、性能优良，同时这种方法支持个性化定制和小批量生产，刚好拟合产品成本不断降低、性能和外观持续提升的市场发展趋势。

Description

一种利用铜钨混合粉3D打印制备铜钨复合触头的方法
技术领域
本发明涉及由金属粉末制造制品技术领域，尤其涉及一种利用铜钨混合粉3D打印制备铜钨复合触头的方法。
背景技术
CuW材料应用非常广泛，它常使用在电力开关的电接触触头行业，航空航天的火箭喷口及半导体集成电路芯片的散热材料，尤其是作为芯片的散热材料，它具有高导热及低膨胀的特性被广泛采用。
随着越来越多的新生产技术涌入市场，当前传统的加工方式已经无法跟上社会发展衍生出的复杂化、小型化需求，这就需要我们引入像电弧熔炼、3D打印这些先进的生产技术，尽早开发，服务市场。
3D打印技术最初被称为快速成型技术或快速原型制造技术，它基于现代CAD/CAM技术、机械工程、分层制造技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术和新材料技术，开发出先进的制造技术，它基于计算机三维数字模型，通过软件分解为多层平面切片，然后由CNC成型系统使用激光束、热熔喷嘴等逐层层叠和粘合可粘合材料，最后叠加并制作产品，传统的焊接方式需要焊料并且钎焊率总是保持在80-95%之间，而如果使用3D直接在铜件表面成型，那么零件的复合度就是100%，并且不需要焊料；传统的加工方式成分配比无法精确控制，但是通过3D打印的方式加工的产品不存在偏析。
目前的铜钨复合触头都是想通过3D打印实现铜钨成分的可控性，以及拓展复杂铜钨零件的加工市场，但是在成分控制上只做到范围可控，并没有做到成分精准控制，另外，也都未考虑过利用3D打印技术优化代传统加工方式中的与铜基焊接，导致目前的铜钨复合触头的制造成本较高，且制备出的铜钨复合触头综合性能较低，钎焊率较低，复合截面存在缺陷等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用铜钨混合粉3D打印制备铜钨复合触头的方法。
本发明的技术要点为：
一种利用铜钨混合粉3D打印制备铜钨复合触头的方法，包括以下步骤：
（1）铜粉末和钨粉末制备
将铜粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得铜粉粗颗粒，将制得的铜粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为0.5-0.7MHz，此间，铜粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带铜粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的铜粉，将钨粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得钨粉粗颗粒，将制得的钨粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为0.8-1MHz，此间，钨粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带钨粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的钨粉，温度梯度是指惰性气体携带粉末在热空气的作用下节节上浮；
（2）铜钨混合粉末制备
按照质量百分比称取1-99wt%的铜粉和99-1wt%的钨粉，将称量好的铜粉和钨粉装入气氛保护球磨机中，设置球料比为1:3，抽真空至10-1pa，再充入氢气至0.3Mpa，开始球磨，球磨时间设置为2-8h，得到球形的铜钨粉末；
（3）3D打印
将准备打印的纯铜根据成品尺寸冲压成型，制得纯铜冲压件，并用黏胶配合定位后整齐的码在基板上，作为铜基体备用，采用选区激光熔化金属打印方式，使激光束垂直于铜基体，并对铜基体表面进行扫描，设置扫描功率为100-400W，设置激光移动线速度为600-2200mm/s，单层打印厚度为0.02-0.1mm，得到铜钨复合触头样品；
（4）样品最终处理
对打印完成后的铜钨复合触头样品的表面进行清洁和精修。
进一步的，步骤（1）制备出的铜末粒度为20-55μm，钨粉的粉末粒度为2-5μm，便于后续对铜粉末和钨粉末的混合，使混合出的铜钨混合粉末孔隙率较低，从而保证最后制备出的铜钨触头的截面细密无孔洞。
进一步的，所述Cu粉末和钨粉的球形度为85-100%，球形度越高的铜、钨粉末用于打印时，形成的铜钨复合触头的表面越致密。
进一步的，步骤（3）在扫描过程中的保护气和送粉气均使用99.99%的氩气。
进一步的，步骤（3）中，送粉气流量为2-4L/min，保护气流量为30-50L/min，送粉气流量主要影响送粉喷嘴出粉口处粉末流的速度，保护气流量能够使打印件的表面不易产生气孔，使打印件表面焊缝成形良好。
进一步的，步骤（2）中制得的球形铜钨粉末的氧含量≤600ppm、氮含量≤400ppm，确保铜钨粉末的导电性、加工性能和焊接性能，氧气含量越低，铜钨粉末的导电率越高。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
第一，本发明是在优于原有产品性能、提高钎焊率、简化加工工序的基础上设计的，本发明制备出的铜钨复合触头，致密度可以达到100%，电导率和耐烧蚀性能都得到了很大提高。
第二，本发明的制备方法中，铜钨复合触头具体做法是在冲压铜件上衔接打印铜钨零件，这样可以节约制造成本，并且打印的零件与复合界面细密无孔洞，打印的铜钨端零件致密、成分均匀、性能优良，同时这种方法支持个性化定制和小批量生产，刚好拟合产品成本不断降低、性能和外观持续提升市场发展的趋势。
第三，本发明制备出的铜钨复合触头的复合界面细密无孔洞，整个截面上具有均匀、细小的等轴晶，且等轴晶各向异性小，加工时变形均匀、性能优异、塑性好，利于铸造及随后的塑性加工，并且制备工艺简单，且制备过程中消耗的原材料较少。
第四、常规加工铜钨合金使用的熔渗方式只能制作圆柱或者方形的坯料，而本发明的工艺可以直接成型最终零件，且常规方式加工的铜钨合金件由于分体成型，最后焊接，需要多次退火去除应力，以防止零件加工变形，而本发明可直接在铜件表面成型，只需要一次最终热处理即可，缩短工序，节约成本。
具体实施方式
实施例1：
一种利用铜钨混合粉3D打印制备铜钨复合触头的方法，包括以下步骤：
（1）铜粉末和钨粉末制备
将铜粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得铜粉粗颗粒，将制得的铜粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为0.5MHz，此间，铜粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带铜粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的铜粉，将钨粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得钨粉粗颗粒，将制得的钨粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为0.8MHz，此间，钨粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带钨粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的钨粉；
（2）铜钨混合粉末制备
按照质量百分比称取99wt%的铜粉和1wt%的钨粉，将称量好的铜粉和钨粉装入气氛保护球磨机中，设置球料比为1:3，抽真空至10-1pa，再充入氢气至0.3Mpa，开始球磨，球磨时间设置为2h，得到球形的铜钨粉末；
（3）3D打印
将准备打印的纯铜根据成品尺寸冲压成型，制得纯铜冲压件，并用黏胶配合定位后整齐的码在基板上，作为铜基体备用，采用选区激光熔化金属打印方式，使激光束垂直于铜基体，并对铜基体表面进行扫描，设置扫描功率为100W，设置激光移动线速度为600mm/s，单层打印厚度为0.02mm，得到铜钨复合触头样品；
（4）样品最终处理
对打印完成后的铜钨复合触头样品的表面进行清洁和精修。
步骤（1）制备出的Cu粉末粒度为20-30μm，钨粉的粉末粒度为2-4μm。
所述步骤（2）中得到的球形的铜钨粉末，其球形度为85-95%。步骤（3）在扫描过程中的保护气和送粉气均使用99.99%的氩气。
步骤（3）中，送粉气流量为2L/min，保护气流量为30L/min。
步骤（2）中制得的球形铜钨粉末的氧含量为550ppm、氮含量为350ppm。
实施例2：
与所述实施例1不同之处在于：
一种利用铜钨混合粉3D打印制备铜钨复合触头的方法，包括以下步骤：
（1）铜粉末和钨粉末制备
将铜粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得铜粉粗颗粒，将制得的铜粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为0.6MHz，此间，铜粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带铜粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的铜粉，将钨粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得钨粉粗颗粒，将制得的钨粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为0.8MHz，此间，钨粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带钨粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的钨粉；
（2）铜钨混合粉末制备
按照质量百分比称取40wt%的铜粉和60wt%的钨粉，将称量好的铜粉和钨粉装入气氛保护球磨机中，设置球料比为1:3，抽真空至10-1pa，再充入氢气至0.3Mpa，开始球磨，球磨时间设置为6h，得到球形的铜钨粉末；
（3）3D打印
将准备打印的纯铜根据成品尺寸冲压成型，制得纯铜冲压件，并用黏胶配合定位后整齐的码在基板上，作为铜基体备用，采用选区激光熔化金属打印方式，使激光束垂直于铜基体，并对铜基体表面进行扫描，设置扫描功率为260W，设置激光移动线速度为1800mm/s，单层打印厚度为0.05mm，得到铜钨复合触头样品；
（4）样品最终处理
对打印完成后的铜钨复合触头样品的表面进行清洁和精修。
步骤（1）制备出的Cu粉末粒度为30-45μm，钨粉的粉末粒度为3-4μm。
所述步骤（2）中得到的球形的铜钨粉末，其球形度为95-100%。步骤（3）在扫描过程中的保护气和送粉气均使用99.99%的氩气。
步骤（3）中，送粉气流量为3L/min，保护气流量为45L/min。
步骤（2）中制得的球形铜钨粉末的氧含量为450ppm、氮含量为220ppm。
实施例3：
与所述实施例2不同之处在于：
一种利用铜钨混合粉3D打印制备铜钨复合触头的方法，包括以下步骤：
（1）铜粉末和钨粉末制备
将铜粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得铜粉粗颗粒，将制得的铜粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为0.7MHz，此间，铜粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带铜粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的铜粉，将钨粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得钨粉粗颗粒，将制得的钨粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为1MHz，此间，钨粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带钨粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的钨粉；
（2）铜钨混合粉末制备
按照质量百分比称取55wt%的铜粉和45wt%的钨粉，将称量好的铜粉和钨粉装入气氛保护球磨机中，设置球料比为1:3，抽真空至10-1pa，再充入氢气至0.3Mpa，开始球磨，球磨时间设置为7h，得到球形的铜钨粉末；
（3）3D打印
将准备打印的纯铜根据成品尺寸冲压成型，制得纯铜冲压件，并用黏胶配合定位后整齐的码在基板上，作为铜基体备用，采用选区激光熔化金属打印方式，使激光束垂直于铜基体，并对铜基体表面进行扫描，设置扫描功率为400W，设置激光移动线速度为2200mm/s，单层打印厚度为0.1mm，得到铜钨复合触头样品；
（4）样品最终处理
对打印完成后的铜钨复合触头样品的表面进行清洁和精修。
步骤（1）制备出的Cu粉末粒度为45-55μm，钨粉的粉末粒度为4-5μm。
所述步骤（2）中得到的球形的铜钨粉末，其球形度为90-100%。步骤（3）在扫描过程中的保护气和送粉气均使用99.99%的氩气。
步骤（3）中，送粉气流量为4L/min，保护气流量为45L/min。
步骤（2）中制得的球形铜钨粉末的氧含量为240ppm、氮含量为120ppm。
实施例4：
与所述实施例3不同之处在于：
一种利用铜钨混合粉3D打印制备铜钨复合触头的方法，包括以下步骤：
（1）铜粉末和钨粉末制备
将铜粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得铜粉粗颗粒，将制得的铜粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为0.6MHz，此间，铜粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带铜粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的铜粉，将钨粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得钨粉粗颗粒，将制得的钨粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为0.9MHz，此间，钨粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带钨粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的钨粉；
（2）铜钨混合粉末制备
按照质量百分比称取33wt%的铜粉和67wt%的钨粉，将称量好的铜粉和钨粉装入气氛保护球磨机中，设置球料比为1:3，抽真空至10-1pa，再充入氢气至0.3Mpa，开始球磨，球磨时间设置为8h，得到球形的铜钨粉末；
（3）3D打印
将准备打印的纯铜根据成品尺寸冲压成型，制得纯铜冲压件，并用黏胶配合定位后整齐的码在基板上，作为铜基体备用，采用选区激光熔化金属打印方式，使激光束垂直于铜基体，并对铜基体表面进行扫描，设置扫描功率为400W，设置激光移动线速度为1200mm/s，单层打印厚度为0.02mm，得到铜钨复合触头样品；
（4）样品最终处理
对打印完成后的铜钨复合触头样品的表面进行清洁和精修。
步骤（1）制备出的Cu粉末粒度为20-30μm，钨粉的粉末粒度为2-3μm。
所述步骤（2）中得到的球形的铜钨粉末，其球形度为95-100%。步骤（3）在扫描过程中的保护气和送粉气均使用99.99%的氩气。
步骤（3）中，送粉气流量为4L/min，保护气流量为50L/min。
步骤（2）中制得的球形铜钨粉末的氧含量为320ppm、氮含量为260ppm。
实施例5：
与所述实施例4不同之处在于：
步骤（2）中，按照质量百分比称取1wt%的铜粉和99wt%的钨粉，
通过对实施例1-5制备出的铜钨复合触头进行性能分析，得出实验数据如下：
实施例1的铜钨复合触头导电率为88 IACS %，复合程度为100%，抗弯强度为1200MPa，导热系数为220W/(m·K)；
实施例2的铜钨复合触头导电率为73 IACS %，复合程度为100%，抗弯强度为1050MPa，导热系数为230W/(m·K)；
实施例3的铜钨复合触头导电率为65 IACS %，复合程度为100%，抗弯强度为850MPa，导热系数为290W/(m·K)；
实施例4的铜钨复合触头导电率为69 IACS %，复合程度为100%，抗弯强度为960MPa，导热系数为240W/(m·K)；
实施例5的铜钨复合触头导电率为74 IACS %，复合程度为100%，抗弯强度为1120MPa，导热系数为260W/(m·K)；
现有技术的铜钨复合触头导电率为58 IACS %，复合程度为88%，抗弯强度为760MPa，导热系数为180W/(m·K)；
通过上述数据可以看出：实施例1-5制备出的铜钨复合触头的导电性能、导热系数和抗弯强度等性能均强于现有的铜钨复合触头的材料性能，其中，实施例1制备出的铜钨复合触头，其导电率最高，实施例3制备出的铜钨复合触头，其导热系数最高，实施例5所制备出的铜钨复合触头，其各方面的性能较为均衡。

Claims (1)

1.一种利用铜钨混合粉3D打印制备铜钨复合触头的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)铜粉末和钨粉末制备
将铜粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得铜粉粗颗粒，将制得的铜粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为0.5-0.7MHz，此间，铜粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带铜粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的铜粉，将钨粗料放入粉碎机内进行初步的切断粉碎，制得钨粉粗颗粒，将制得的钨粉粗颗粒放入陶瓷感应坩埚内，设置电源频率为0.8-1MHz，此间，钨粉粗颗粒在蒸发的过程中，惰性气体在温度梯度的作用下携带钨粉末在粉末收集器中对流，粉末弥散在粉末收集器的内壁上，制得球形的钨粉，温度梯度是指惰性气体携带粉末在热空气的作用下节节上浮；
(2)铜钨混合粉末制备
按照质量百分比称取1-99wt％的铜粉和99-1wt％的钨粉，将称量好的铜粉和钨粉装入气氛保护球磨机中，设置球料比为1:3，抽真空至10-1pa，再充入氢气至0.3Mpa，开始球磨，球磨时间设置为2-8h，得到球形的铜钨粉末；
(3)3D打印
将准备打印的纯铜根据成品尺寸冲压成型，制得纯铜冲压件，并用黏胶配合定位后整齐的码在基板上，作为铜基体备用，采用选区激光熔化金属打印方式，使激光束垂直于铜基体，并对铜基体表面进行扫描，设置扫描功率为100-400W，设置激光移动线速度为600-2200mm/s，单层打印厚度为0.02-0.1mm，得到铜钨复合触头样品；
(4)样品最终处理
对打印完成后的铜钨复合触头样品的表面进行清洁和精修；
步骤(1)制备出的Cu粉末粒度为20-55μm，钨粉的粉末粒度为2-5μm，便于后续对铜粉末和钨粉末的混合，使混合出的铜钨混合粉末孔隙率较低，从而保证最后制备出的铜钨触头的截面细密无孔洞；
所述Cu粉末和所述钨粉的球形度为85-100％；
步骤(3)在扫描过程中的保护气和送粉气均使用99.99％的氩气；
步骤(3)中，送粉气流量为2-4L/min，保护气流量为30-50L/min；
步骤(2)中制得的球形铜钨粉末的氧含量≤600ppm、氮含量≤400ppm，确保铜钨粉末的导电性、加工性能和焊接性能，氧气含量越低，铜钨粉末的导电率越高。
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Citations (7)

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