CN113172235A - 基于多材料金属同步3d打印技术的电触头制备方法 - Google Patents

基于多材料金属同步3d打印技术的电触头制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多材料金属同步3D打印技术的电触头制备方法，方法中，将制备电触头的铁粉、铜粉和铬粉放入3D打印机粉末罐中，铁粉、铜粉以及铬粉质量比为5‑20∶40‑70∶50‑65，建立待制备的电触头的3D打印的三维模型，所述三维模型包括多个微结构单元，所述微结构单元模型以铁芯作为软磁相，铜作为高导电相以线状缠绕铁芯，微结构单元之间的间隙填充金属铬作为耐电弧烧蚀相，在氩气或者氦气气氛下利用选择性激光熔化进行3D打印成型电触头，热处理所述3D打印成型的电触头，热处理温度为900‑980℃。

Description

基于多材料金属同步3D打印技术的电触头制备方法
技术领域
本发明属于电触头制备领域，特别是一种基于多材料金属同步3D打印技术的电触头制备方法。
背景技术
目前，国内外中高压领域真空断路器的应用越来越广泛，真空断路器只要采用铜铬合金系列真空触头材料，其中，铜由于其良好的导电性主要起导电作用，铬由于其优异的力学性质主要作为骨架支撑材料。目前，对铜铬合金制备方法的研究已达到一定的水平，提高了真空开关行业的设计与制造技术，促进了真空开关行业的发展。
真空断路器在工业领域得到了广泛的应用，随着电力系统升级和工业领域的需求不断增大，需要在大电压大电流下实现开断从而保护电路。磁场线圈为获得较好磁场，回路较为复杂，回路电阻大，工作电流温升大，无法实现大电流等级提升；触头外边缘磁场强度低，导致电弧在边缘移动慢，边缘严重烧蚀，造成分段失败。磁场分布不合理，不能使磁场集中作用于电弧。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提出一种基于多材料金属同步3D打印技术的电触头制备方法。通过3D打印技术制备的具有软磁相Fe、高导电相Cu和耐电弧烧蚀相Cr组成的具有微结构的复合触头材料，电流集中于各微结构单元，产生局域增强的磁场，并且磁场与电弧跟随，有效提高触头的分断电流能力。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于多材料金属同步3D打印技术的电触头制备方法包括以下步骤：
将制备电触头的铁粉、铜粉和铬粉放入3D打印机粉末罐中，铁粉、铜粉以及铬粉质量比为5-20∶40-70∶50-65，
建立待制备的电触头的3D打印的三维模型，所述三维模型包括多个微结构单元，所述微结构单元模型以铁芯作为软磁相，铜作为高导电相以线状缠绕铁芯，微结构单元之间的间隙填充金属铬作为耐电弧烧蚀相，
在氩气或者氦气气氛下利用选择性激光熔化进行3D打印成型电触头，
热处理所述3D打印成型的电触头，热处理温度为900-980℃。
所述的方法中，铁粉、铜粉以及铬粉质量比为5-20∶40-70∶50-65，铁粉、铜粉以及铬粉的平均粒径5-50μm。
所述的方法中，所述电触头三维模型包括1-100个微结构单元，所述微结构单元中，所述铁芯的直径为1-8mm；所述铜线直径为1-4mm。
所述的方法中，触头顶部设有等直径的铜铬触头片，底部设有纯铜导电衬底。
所述的方法中，铜铬触头片厚度1-4mm，纯铜导电衬底厚度1-5mm。
所述的方法中，微结构模型中作为高导电相的铜线双匝缠绕铁芯。
所述的方法中，热处理温度为900-980℃，烧结时间4-5h，热处理采用99.99％氩气或者氦气气氛保护。
根据本发明另一方面，一种电触头根据所述的制备方法形成。
所述的电触头中，所述电触头为真空断路器电触头。
有益效果
本发明利用3D打印技术制造的铜基电触头具有有序的磁场单元，电流通过各微结构单元，从而产生轴向磁场，过零点阶段电弧燃烧集中于微结构单元，产生磁场强度高，磁场得到局域增强，实现磁场和电弧的伴生与跟随，实现磁场对电弧跟随的有效控制，并且在触头外围形成较大的磁场从而可以避免电弧对边缘的烧蚀，有效提高触头的分断电流能力和耐烧蚀能力。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1所示为本发明电触头3D打印结果的剖面示意图；
图2是本发明微结构单元在不同安匝数时表面磁场分布图；
图3是本发明电触头添加铜衬底和铜铬触头片后表面磁场分布图；
图4(a)、图4(b)是本发明实施例2不同铁芯直径时表面磁场分布图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图4(b)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
一种基于多材料金属同步3D打印技术的电触头制备方法包括以下步骤：
将制备电触头的铁粉、铜粉和铬粉放入3D打印机粉末罐中，铁粉、铜粉以及铬粉质量比为5-20∶40-70∶50-65，
建立待制备的电触头的3D打印的三维模型，所述三维模型包括多个微结构单元，所述微结构单元模型中以铁芯1作为软磁相，铜2作为高导电相的以线状缠绕铁芯1，微结构单元之间的间隙填充金属铬作为耐电弧烧蚀相3，
在氩气或者氦气气氛下利用选择性激光熔化进行3D打印成型电触头，
热处理所述3D打印成型的电触头，热处理温度为900-980℃。
所述的方法优选实施方式中，铁粉、铜粉以及铬粉质量比为5-20∶40-70∶50-65，铁粉、铜粉以及铬粉的平均粒径5-50μm。
所述的方法优选实施方式中，所述电触头三维模型的直径80mm，所述电触头三维模型包括19个微结构单元。
所述的方法优选实施方式中，所述微结构单元中，其中，铜铁线圈单元直径12mm，所述铁芯1的直径为1-8mm；所述铜线2直径为1-4mm。
所述的方法优选实施方式中，触头顶部设有等直径的铜铬触头片，底部设有纯铜导电衬底。
所述的方法优选实施方式中，铜铬触头片厚度2.5mm，纯铜导电衬底厚度2mm。
所述的方法优选实施方式中，作为高导电相的铜线2双匝缠绕铁芯1。
所述的方法优选实施方式中，热处理温度为900-980℃，烧结时间4-5h，热处理采用99.99％氩气或者氦气气氛保护。
在一个实施例中，方法中，建立软磁相Fe、高导电相Cu和耐电弧烧蚀相Cr的三维模型，采用多材料金属同步3D打印成型，在计算机中建立电触头的三维模型，多材料金属同步3D打印采用选择性激光熔化技术，软磁相Fe、高导电相Cu和耐电弧烧蚀相Cr三相同时打印成型。
在一个实施例中，触头模型中的高导电相Cu为双匝绕制，高导电相Cu双匝螺旋缠绕在软磁相Fe上。选择性激光熔化技术是在氩气或者氦气气氛下进行烧结的。
在一个实施例中，所述的方法包括以下步骤：在计算机中分别建立软磁相Fe、高导电相Cu模型和耐电弧烧蚀相Cr模型，把三个模型组合成电触头模型；将平均粒径5-50μm的Fe粉、Cu粉、Cr粉三种材料粉体分别放入3D打印机的粉体缸中；选择3D打印中的选择性激光熔化技术进行3D打印成型，在氩气或者氦气气氛下进行烧结；打印成型的铜铬铁电触头进行热处理，所述热处理温度为900-980℃。
在一个实施例中，所述软磁相Fe的直径为5mm；所述高导电相Cu的直径为1.75mm。
本发明得到的触头具有优异的开断性能；使用3D打印技术时可以降低成本，无材料浪费，节省时间节省空间。
实施例1
一种基于多材料金属同步3D打印技术制备的电触头制备方法，所述触头的原材料为铁粉、铜粉以及铬粉，三种材料质量比大约为5∶40∶60，所述电触头由一系列微结构单元组成。微结构单元中，以铁芯1作为软磁相，铜线2双匝缠绕铁芯1，铜线2作为高导电相，微结构单元间隙填充金属铬作为耐电弧烧蚀相3。所述的铁芯1的直径为5mm，铜线2的直径约为1.75mm，整个触头直径约80mm，触头内共包括19个微单元。其制备方法，包括以下几个步骤：
将制备触头所需要的铁粉、铜粉和铬粉等原料放入3D打印机粉末罐中，待使用；
在计算机中建立软磁相Fe1、高导电相Cu2和耐电弧烧蚀相Cr3的骨架模型，并在计算机中将三种金属的骨架模型组合成触头模型；
在氩气或者氦气气氛下利用选择性激光熔化技术进行3D打印成型；
打印结束后，触头经过热处理即可。
3D打印的基体操作为：先通过计算机建模软件建模，组合完成触头模型，再通过三维模型的近似处理，将模型分层切片处理后逐层打印，打印过程中，选用激光作为能量源，按照三维CAD切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件。
打印结束后，需要对打印完成的触头材料进行热处理，热处理为加热到900-980℃，烧结时间4-5h，99.99％氩气或者氦气气氛保护；考虑到实际应用，在热处理结束后还需在触头底部添加纯铜导电衬底、在触头顶部添加铜铬触头片，利用银铜焊料焊接。
实施例2
一种基于多材料金属同步3D打印技术的电触头制备方法，实际应用时，在触头底部需要添加导电铜衬底和在顶部添加铜铬触头片，打印的时候可以一体化打印完成。所述3D打印的原材料为铁粉、铜粉以及铬粉，三种材料质量比大约为5-20∶40-70∶50-65，所述电触头由一系列微结构单元组成。微结构单元中，以铁芯1作为软磁相，铜线2双匝缠绕铁芯1，铜线2作为高导电相，微结构单元间隙填充金属铬作为耐电弧烧蚀相3。所述的铜铁线圈单元11mm，铁芯1直径1-8mm，铜线2的直径根据铁芯1的直径相应变化，整个触头直径约80mm，触头内共包括19个微单元，在触头顶部添加和触头相同直径的铜铬触头片，厚度2.5mm，在触头底部添加纯铜导电衬底，厚度2mm。
其制备方法，包括以下几个步骤：
将制备触头所需要的铁粉、铜粉和铬粉等原料放入3D打印机粉末罐中，待使用；
在计算机中建立软磁相Fe、高导电相Cu和耐电弧烧蚀相Cr3的骨架模型，在模型顶部添加铜铬触头片模型，在底部添加铜导电衬底模型，在计算机中将几种骨架模型组合成触头模型，分别组合成铁芯不穿透底部铜衬底和铁芯穿透底部铜衬底两种模型；
在氩气或者氦气气氛下利用选择性激光熔化技术进行3D打印成型；
打印结束后，触头经过热处理即可，热处理为加热到900℃，烧结时间5h，99.99％氩气保护。
图1主要体现实施例1触头的剖面图；图2体现在不同安匝数时，单一结构单元产生的磁场，单元表面的磁场随安匝数的增大而增大；图3体现实施例1中添加了纯铜导电衬底和铜铬触头片后，整个触头表面的磁场分布；图4(a)、图4(b)体现了实施例2在铁相1不同直径的情况下表面磁场的分布情况，其中图4(a)为实施例2中铁芯不穿透底部铜衬底，图4(b)为实施例2中铁芯穿透底部铜衬底。通过上述实施例获得的触头具有有序的磁场微结构单元，能在表面产生足够大的磁场驱使电弧运动。
一种电触头根据所述的制备方法形成。
在一个实施例中，所述电触头为真空断路器电触头。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种基于多材料金属同步3D打印技术的电触头制备方法，所述方法包括以下步骤：
将制备电触头的铁粉、铜粉和铬粉放入3D打印机粉末罐中，铁粉、铜粉以及铬粉质量比为5-20∶40-70∶50-65，
建立待制备的电触头的3D打印的三维模型，所述三维模型包括多个微结构单元，所述微结构单元模型以铁芯作为软磁相，铜作为高导电相以线状缠绕铁芯，微结构单元之间的间隙填充金属铬作为耐电弧烧蚀相，
在氩气或者氦气气氛下利用选择性激光熔化进行3D打印成型电触头，
热处理所述3D打印成型的电触头，热处理温度为900-980℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，铁粉、铜粉以及铬粉质量比为5-20：40-70：50-65，铁粉、铜粉以及铬粉的平均粒径5-50μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电触头三维模型包括1-100个微结构单元，所述微结构单元中，所述铁芯的直径为1-8mm；所述铜线的直径为1-4mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电触头顶部设有等直径的铜铬触头片，底部设有纯铜导电衬底。
5.根据权利要求5所述的方法，其中，铜铬触头片厚度1-4mm，纯铜导电衬底厚度1-5mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在微结构模型中作为高导电相的铜线双匝缠绕铁芯。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，热处理温度为900-980℃，烧结时间4-5h，热处理采用99.99％氩气或者氦气气氛保护。
8.一种电触头，其特征在于，其根据权利要求1-8任一项所述的制备方法形成。
9.根据权利要求9所述的电触头，其中，所述电触头为真空断路器电触头。
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