CN113278835B - 一种高强高导铜钛合金制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高导铜钛合金制备方法，涉及铜钛合金制备技术领域，包括S1、混粉：将铜粉和钛粉进行混合；S2、3D打印：将铜钛混合粉末装入3D打印设备进行3D打印；S3、后处理：通过线切割将铜钛合金坯料与基板分离，再对铜钛合金坯料进行热处理和表面处理，得到成品合金零件，本发明是在不影响甚至优于原有产品性能、缩短加工周期又不影响美观的基础上设计，提高可加工的效率，本发明所述铜钛合金制备技术，所制备的铜钛合金具有高导电性，高硬度，高的抗拉强度，所加工零件不受材料配比和形状限制，针对复杂零件，提高了铜钛合金零件的加工合格率。
Description
技术领域
本发明涉及铜钛合金制备技术领域，具体是涉及一种高强高导铜钛合金制备方法。
背景技术
铜钛合金具有广阔的应用前景，但是因为其加工困难、成本高昂，严重制约了产业链的发展。目前市面上的铜钛材料还是多以低钛含量的高导低强板材和线材为主，批量化、个性化的高导高强零件仍有很大的市场缺口；随着3D打印技术的不断发展，各种材料的打印成功案例不断涌出，成分均匀弥散和性能更加优良的报道持续出现，铜钛合金的打印研究也逐渐被提上日程。为了补全技术空缺，斯瑞公司对铜钛合金打印技术进行反复的验算和研究，最终成功打印出铜钛合金零件；使用3D打印技术，可以直接打印板材、线材、复杂一体成型件、快速拼接件等，具有优良的材料强度和电导率，可用于电缆、变压器线圈或者导电片、高强度弹簧、电触点、集成电路封装中的引线框架和隔膜等。
传统的铜钛产品生产技术主要有真空感应熔铸、真空电弧自耗、混粉+烧结三种。
真空感应熔炼过程，一般是随炉冷却，冷却过程较缓慢，使得铸锭的晶粒尺寸较大，制备的合金在后续的加工硬化过程中易出现裂纹，导致合金板/锭只有较低的成品率，再加上后续的机加零件步骤，成品率会更低；
真空电弧自耗技术，通过熔滴控制冷却速度，通过电磁搅拌控制成分均匀性，最终获得成分均匀、晶粒细小的铸锭，具有很好的产品特性率和较高的成品率，但是后续加工比较困难，而且制造成本高昂；
混粉烧结技术，对原材料要求不高，通过机械混合的方式将原材料粉末混合均匀，在通过冷等静压+烧结的方式生产出铸锭，成分比较均匀，成品率和成型率高，制造过程简单易加工，但是因为材料没有融化，所以通常情况下晶粒粗大，零件强度较低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高强高导铜钛合金制备方法。
本发明的技术方案是：一种高强高导铜钛合金制备方法，包括以下步骤：
S1：混粉
将铜粉和钛粉进行混合，具体包括以下步骤：
S1-1：选料
选用气雾化球形粉末的铜粉和钛粉，铜粉与钛粉的粉末粒度均要求在35-55μm，粉末球形度大于80％；
S1-2：配料
将气雾化球形粉末的铜粉和钛粉相互混合，得到铜钛混合粉末，所得到的铜钛混合粉末中气雾化球形粉末的钛粉质量百分比为2-20wt％；
S1-3：球磨
将得到的铜钛混合粉末装入气氛保护的球磨机中，球料比在1:2到1:4之间；
S1-4：真空烘干
将经过球磨后的铜钛混合粉末置入110-120℃真空干燥室中搅拌烘干，烘干后的铜钛混合粉末取出备用；
S2：3D打印
将经过烘干后的铜钛混合粉末装入3D打印设备的粉仓中，并使用冰铲捣实，采用SLM-3D打印铺粉技术加工，手动在不锈钢基板铺粉一层后导入图形，洗气完成后开启风机和基板加热，温度稳定后开始激光选区扫描打印，扫描过程保护气使用氩气，设备打印环境为正压，打印完成后得到铜钛合金坯料；
S3：后处理
通过线切割将铜钛合金坯料与基板分离，再对铜钛合金坯料进行热处理和表面处理，得到成品合金零件。
进一步地，所述步骤S1-3球磨时先将所述球磨机抽真空至1-10Pa，再将氢气作为保护气氛充入球磨机中使球磨机内气压至0.3-0.6MPa，然后开始球磨，球磨时长2-6h，在球磨过程中减少金属的氧化。
进一步地，所述步骤S2中风机速度为20-45r/min，基板温度设定在120-150℃。
进一步地，所述步骤S2中激光光斑直径为0.05mm，打印单层厚度在0.02-0.06mm；打印使用功率为230-330W；扫描速度在600-1000mm/s。
进一步地，所述步骤S3中热处理工艺为：真空退火温度为780-1000℃，保温2-6h后自然冷却至室温出炉。
进一步地，所述步骤S3中表面处理方式为磁力研磨抛光或者喷砂处理。
进一步地，对经过步骤S3处理后得到的成品合金零件进行抽检，按照检测标准对成品合金零件的性能进行检测。
进一步地，所述检测标准为：合金硬度为180-260HB、抗拉强度为600-800MPa、电导率为10-20％IACS。
进一步地，所述磁力研磨抛光中的磨料采用不锈钢针，研磨抛光磨料总重量控制在3-6kg，磁力研磨抛光时长为3-4h，磁力研磨的磁场旋转方向，正向和反向时长对半。
进一步地，所述喷砂处理采用喷砂压力2-2.5kg/cm2，喷砂形成的表面处理层厚度为0.2-0.35μm，表面粗糙度为0.3-0.5μm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明是在不影响甚至优于原有产品性能、缩短加工周期又不影响美观的基础上设计，提高可加工的效率。
(2)本发明所述铜钛合金制备技术，打印后的零件经过热处理后硬度范围在180-260HB，抗拉强度可以达到600-800MPa，电导率在10-20％IACS之间；所制备的铜钛合金具有高导电性，高硬度，高的抗拉强度。
(3)本发明加工产品可以是一体成型件、也可以是拼装件，不受材料配比和形状限制，针对复杂零件，提高了铜钛合金零件的加工合格率。
附图说明
图1是本发明铜钛合金制备的流程图。
图2是本发明铜钛合金的金相组织图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，一种高强高导铜钛合金制备方法，包括以下步骤：
S1：混粉
将铜粉和钛粉进行混合，具体包括以下步骤：
S1-1：选料
选用气雾化球形粉末的铜粉和钛粉，铜粉与钛粉的粉末粒度均要求在35-40μm，粉末球形度大于80％；
S1-2：配料
将气雾化球形粉末的铜粉和钛粉相互混合，得到铜钛混合粉末，所得到的铜钛混合粉末中气雾化球形粉末的钛粉质量百分比为2wt％；
S1-3：球磨
将得到的铜钛混合粉末装入气氛保护的球磨机中，球料比在1:2，球磨机抽真空至1Pa，再将氢气作为保护气氛充入球磨机中使球磨机内气压至0.3MPa，然后开始球磨，球磨时长2h，在球磨过程中减少金属的氧化；
S1-4：真空烘干
将经过球磨后的铜钛混合粉末置入110℃真空干燥室中搅拌烘干，烘干后的铜钛混合粉末取出备用；
S2：3D打印
将经过烘干后的铜钛混合粉末装入3D打印设备的粉仓中，并使用冰铲捣实，采用SLM-3D打印铺粉技术加工，手动在不锈钢基板铺粉一层后导入图形，洗气完成后开启风机和基板加热，风机速度为20r/min，基板温度设定在120℃，温度稳定后开始激光选区扫描打印，激光光斑直径为0.05mm，打印单层厚度在0.02mm；打印使用功率为230W；扫描速度在600mm/s，扫描过程保护气使用氩气，设备打印环境为正压，打印完成后得到铜钛合金坯料；
S3：后处理
通过线切割将铜钛合金坯料与基板分离，再对铜钛合金坯料进行热处理和表面处理，热处理工艺为：真空退火温度为780℃，保温2h后自然冷却至室温出炉；
表面处理方式为磁力研磨抛光或者喷砂处理，磁力研磨抛光中的磨料采用不锈钢针，研磨抛光磨料总重量控制在3kg，磁力研磨抛光时长为3h，磁力研磨的磁场旋转方向，正向和反向时长对半，喷砂处理采用喷砂压力2kg/cm2，喷砂形成的表面处理层厚度为0.2μm，表面粗糙度为0.3μm，得到成品合金零件；
对处理后得到的成品合金零件进行抽检，按照检测标准对成品合金零件的性能进行检测，检测标准为：合金硬度为180-260HB、抗拉强度为600-800MPa、电导率为10-20％IACS。
实施例2：
如图1所示，一种高强高导铜钛合金制备方法，包括以下步骤：
S1：混粉
将铜粉和钛粉进行混合，具体包括以下步骤：
S1-1：选料
选用气雾化球形粉末的铜粉和钛粉，铜粉与钛粉的粉末粒度均要求在40-50μm，粉末球形度大于85％；
S1-2：配料
将气雾化球形粉末的铜粉和钛粉相互混合，得到铜钛混合粉末，所得到的铜钛混合粉末中气雾化球形粉末的钛粉质量百分比为8wt％；
S1-3：球磨
将得到的铜钛混合粉末装入气氛保护的球磨机中，球料比在1:3，球磨机抽真空至3Pa，再将氢气作为保护气氛充入球磨机中使球磨机内气压至0.4MPa，然后开始球磨，球磨时长3h，在球磨过程中减少金属的氧化；
S1-4：真空烘干
将经过球磨后的铜钛混合粉末置入115℃真空干燥室中搅拌烘干，烘干后的铜钛混合粉末取出备用；
S2：3D打印
将经过烘干后的铜钛混合粉末装入3D打印设备的粉仓中，并使用冰铲捣实，采用SLM-3D打印铺粉技术加工，手动在不锈钢基板铺粉一层后导入图形，洗气完成后开启风机和基板加热，风机速度为25r/min，基板温度设定在130℃，温度稳定后开始激光选区扫描打印，激光光斑直径为0.05mm，打印单层厚度在0.04mm；打印使用功率为250W；扫描速度在700mm/s，扫描过程保护气使用氩气，设备打印环境为正压，打印完成后得到铜钛合金坯料；
S3：后处理
通过线切割将铜钛合金坯料与基板分离，再对铜钛合金坯料进行热处理和表面处理，热处理工艺为：真空退火温度为800℃，保温4h后自然冷却至室温出炉；
表面处理方式为磁力研磨抛光或者喷砂处理，磁力研磨抛光中的磨料采用不锈钢针，研磨抛光磨料总重量控制在4kg，磁力研磨抛光时长为3.5h，磁力研磨的磁场旋转方向，正向和反向时长对半，喷砂处理采用喷砂压力2.3kg/cm2，喷砂形成的表面处理层厚度为0.3μm，表面粗糙度为0.4μm，得到成品合金零件；
对处理后得到的成品合金零件进行抽检，按照检测标准对成品合金零件的性能进行检测，检测标准为：合金硬度为180-260HB、抗拉强度为600-800MPa、电导率为10-20％IACS。
实施例3：
如图1所示，一种高强高导铜钛合金制备方法，包括以下步骤：
S1：混粉
将铜粉和钛粉进行混合，具体包括以下步骤：
S1-1：选料
选用气雾化球形粉末的铜粉和钛粉，铜粉与钛粉的粉末粒度均要求在50-55μm，粉末球形度大于90％；
S1-2：配料
将气雾化球形粉末的铜粉和钛粉相互混合，得到铜钛混合粉末，所得到的铜钛混合粉末中气雾化球形粉末的钛粉质量百分比为10wt％；
S1-3：球磨
将得到的铜钛混合粉末装入气氛保护的球磨机中，球料比在1:3，球磨机抽真空至7Pa，再将氢气作为保护气氛充入球磨机中使球磨机内气压至0.5MPa，然后开始球磨，球磨时长5h，在球磨过程中减少金属的氧化；
S1-4：真空烘干
将经过球磨后的铜钛混合粉末置入118℃真空干燥室中搅拌烘干，烘干后的铜钛混合粉末取出备用；
S2：3D打印
将经过烘干后的铜钛混合粉末装入3D打印设备的粉仓中，并使用冰铲捣实，采用SLM-3D打印铺粉技术加工，手动在不锈钢基板铺粉一层后导入图形，洗气完成后开启风机和基板加热，风机速度为35r/min，基板温度设定在140℃，温度稳定后开始激光选区扫描打印，激光光斑直径为0.05mm，打印单层厚度在0.05mm；打印使用功率为280W；扫描速度在800mm/s，扫描过程保护气使用氩气，设备打印环境为正压，打印完成后得到铜钛合金坯料；
S3：后处理
通过线切割将铜钛合金坯料与基板分离，再对铜钛合金坯料进行热处理和表面处理，热处理工艺为：真空退火温度为800℃，保温5h后自然冷却至室温出炉；
表面处理方式为磁力研磨抛光或者喷砂处理，磁力研磨抛光中的磨料采用不锈钢针，研磨抛光磨料总重量控制在5kg，磁力研磨抛光时长为3.5h，磁力研磨的磁场旋转方向，正向和反向时长对半，喷砂处理采用喷砂压力2.4kg/cm2，喷砂形成的表面处理层厚度为0.32μm，表面粗糙度为0.4μm，得到成品合金零件；
对处理后得到的成品合金零件进行抽检，按照检测标准对成品合金零件的性能进行检测，检测标准为：合金硬度为180-260HB、抗拉强度为600-800MPa、电导率为10-20％IACS。
实施例4：
如图1所示，一种高强高导铜钛合金制备方法，包括以下步骤：
S1：混粉
将铜粉和钛粉进行混合，具体包括以下步骤：
S1-1：选料
选用气雾化球形粉末的铜粉和钛粉，铜粉与钛粉的粉末粒度均要求在35-55μm，粉末球形度大于95％；
S1-2：配料
将气雾化球形粉末的铜粉和钛粉相互混合，得到铜钛混合粉末，所得到的铜钛混合粉末中气雾化球形粉末的钛粉质量百分比为20wt％；
S1-3：球磨
将得到的铜钛混合粉末装入气氛保护的球磨机中，球料比在1:4，球磨机抽真空至10Pa，再将氢气作为保护气氛充入球磨机中使球磨机内气压至0.6MPa，然后开始球磨，球磨时长6h，在球磨过程中减少金属的氧化；
S1-4：真空烘干
将经过球磨后的铜钛混合粉末置入120℃真空干燥室中搅拌烘干，烘干后的铜钛混合粉末取出备用；
S2：3D打印
将经过烘干后的铜钛混合粉末装入3D打印设备的粉仓中，并使用冰铲捣实，采用SLM-3D打印铺粉技术加工，手动在不锈钢基板铺粉一层后导入图形，洗气完成后开启风机和基板加热，风机速度为45r/min，基板温度设定在150℃，温度稳定后开始激光选区扫描打印，激光光斑直径为0.05mm，打印单层厚度在0.06mm；打印使用功率为330W；扫描速度在1000mm/s，扫描过程保护气使用氩气，设备打印环境为正压，打印完成后得到铜钛合金坯料；
S3：后处理
通过线切割将铜钛合金坯料与基板分离，再对铜钛合金坯料进行热处理和表面处理，热处理工艺为：真空退火温度为1000℃，保温6h后自然冷却至室温出炉；
表面处理方式为磁力研磨抛光或者喷砂处理，磁力研磨抛光中的磨料采用不锈钢针，研磨抛光磨料总重量控制在6kg，磁力研磨抛光时长为4h，磁力研磨的磁场旋转方向，正向和反向时长对半，喷砂处理采用喷砂压力2.5kg/cm2，喷砂形成的表面处理层厚度为0.35μm，表面粗糙度为0.5μm，得到成品合金零件；
对处理后得到的成品合金零件进行抽检，按照检测标准对成品合金零件的性能进行检测，检测标准为：合金硬度为180-260HB、抗拉强度为600-800MPa、电导率为10-20％IACS。
实施例1-4铜钛合金检测数据如表1。
表1：各实施例铜钛合金性能检测结果
由实施例1-4的硬度和导电率数据可以看出，钛含量越高其导电率越低，整体硬度越高、钛含量越少，导电率越高，整体硬度越低，实际生产中可根据所加工零件要求，调整合金中钛的质量占比。
Claims (3)
1.一种高强高导铜钛合金制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：混粉
将铜粉和钛粉进行混合，具体包括以下步骤：
S1-1：选料
选用气雾化球形粉末的铜粉和钛粉，铜粉与钛粉的粉末粒度均要求在35-55μm，粉末球形度大于80％；
S1-2：配料
将气雾化球形粉末的铜粉和钛粉相互混合，得到铜钛混合粉末，所得到的铜钛混合粉末中气雾化球形粉末的钛粉质量百分比为2-20wt％；
S1-3：球磨
将得到的铜钛混合粉末装入气氛保护的球磨机中，球料比在1:2到1:4之间；
S1-4：真空烘干
将经过球磨后的铜钛混合粉末置入110-120℃真空干燥室中搅拌烘干，烘干后的铜钛混合粉末取出备用；
S2：3D打印
将经过烘干后的铜钛混合粉末装入3D打印设备的粉仓中，并使用冰铲捣实，采用SLM-3D打印铺粉技术加工，手动在不锈钢基板铺粉一层后导入图形，洗气完成后开启风机和基板加热，温度稳定后开始激光选区扫描打印，扫描过程保护气使用氩气，设备打印环境为正压，打印完成后得到铜钛合金坯料；
S3：后处理
通过线切割将铜钛合金坯料与基板分离，再对铜钛合金坯料进行热处理和表面处理，得到成品合金零件；
所述步骤S1-3球磨时先将所述球磨机抽真空至1-10Pa，再将氢气作为保护气氛充入球磨机中使球磨机内气压至0.3-0.6MPa，然后开始球磨，球磨时长2-6h；
所述步骤S2中风机速度为20-45r/min，基板温度设定在120-150℃；
所述步骤S2中激光光斑直径为0.05mm，打印单层厚度在0.02-0.06mm；打印使用功率为230-330W；扫描速度在600-1000mm/s；
所述步骤S3中热处理工艺为：真空退火温度为780-1000℃，保温2-6h后自然冷却至室温出炉；
所述步骤S3中表面处理方式为磁力研磨抛光或者喷砂处理；
所述磁力研磨抛光中的磨料采用不锈钢针，研磨抛光磨料总重量控制在3-6kg，磁力研磨抛光时长为3-4h，磁力研磨的磁场旋转方向，正向和反向时长对半；
所述喷砂处理采用喷砂压力2-2.5kg/cm2，喷砂形成的表面处理层厚度为0.2-0.35μm，表面粗糙度为0.3-0.5μm。
2.如权利要求1所述的一种高强高导铜钛合金制备方法，其特征在于，对经过步骤S3处理后得到的成品合金零件进行抽检，按照检测标准对成品合金零件的性能进行检测。
3.如权利要求2所述的一种高强高导铜钛合金制备方法，其特征在于，所述检测标准为：合金硬度为180-260HB、抗拉强度为600-800MPa、电导率为10-20％IACS。
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