CN113441730B

CN113441730B - 一种大型弥散强化铜构件的增材制造方法

Info

Publication number: CN113441730B
Application number: CN202110736234.2A
Authority: CN
Inventors: 刘光; 崔烺; 陈杰; 贾利; 冯胜强; 王晓霞; 徐国辉
Original assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-06-30
Also published as: CN113441730A

Abstract

本发明公开了一种大型弥散强化铜构件的增材制造方法包括以下步骤：1)对铝合金基体表面进行除油、干燥及打磨处理；2)对冷喷涂用的弥散强化铜粉末进行热处理；3)进行三维建模，转化二维平面模型；4)优化冷喷涂用的喷枪移动轨迹；5)将粉末装入冷喷涂送粉罐中，采用机械臂控制的冷喷涂设备得到复合构件；6)对复合构件进行机械加工，去除铝合金基体，得到弥散强化铜构件；7)将弥散强化铜构件放入氢气还原炉中进行处理，最终获得所需的弥散强化铜构件。可制备大型化、复杂化弥散强化铜合金构件，构件尺寸、形状不受限制；制备工艺简单、粉末利用率高，极大降低弥散强化铜合金的加工工期，提高制备效率。

Description

一种大型弥散强化铜构件的增材制造方法

技术领域

本发明涉及弥散强化铜构件的制造技术领域，具体涉及一种弥散强化铜构件的增材制造方法，特别适用于氧化物、碳化钨、氮化物、硼化物陶瓷相(Al₂O₃、Y₂O₃、TiC、TiN、TaC、TaN、TiB₂)等弥散强化铜的制备。

背景技术

铜及铜合金具有优异的导热、导电性能，被广泛应用于机械制造、运输、建筑、电气、电子等工业部门中。然而随着微电子、计算机、通信、工业自动控制等电子信息产业的不断进步，对铜的性能提出了更高的要求，要求其既能保持高导电高导热性，又要求在高温下具有较好的力学性能和高的耐热稳定性，传统铜及铜合金已不能满足特定工业领域服役构件对材料性能的要求。

弥散强化铜是指在铜基体材料中加入一定量的陶瓷(一般含量小于1重量％，尺寸小于75nm)，陶瓷均匀分布在基体中，构成弥散分布的第二相纳米粒子来强化材料。由于陶瓷粒子具有高耐热稳定性，纳米级别的陶瓷粒子亦可阻碍位错和晶界运动，使得弥散强化铜合金具有较强的抗高温软化和抗高温蠕变特性，且陶瓷粒子与铜基材不相溶，对铜合金导电率影响较小，相比较于传统铜材料，弥散强化铜在常温及高温下具有较好的力学性能，并保持高的导电性能，在航空、冶金、化工、汽车等工业领域具有广阔的应用前景。

传统制备弥散强化铜构件主要采用机械合金化法、反应喷射沉积及内氧化法。机械合金化法是将一定量的陶瓷粉末与铜粉末进行高能球磨获得混合粉末，然后将混合粉末压坯，除气后热(等静)压和热挤压后而制成，可制备各种氧化物、碳化物、氮化物及硼化物弥散强化铜材料，如公告号为CN 109136615B的中国发明专利公布了一种高强高塑弥散强化铜基复合材料的制备方法，通过高能球磨纳米陶瓷颗粒与铜的氧化物粉末，然后在还原性气氛中烧结制备弥散强化铜；反应喷射沉积是在喷射铜合金时，加入反应性的合金粉或反应元素气体，使两者反应形成相应的弥散强化铜，如Cu-Al₂O₃及Cu-TiB₂等材料。内氧化法主要制备Al₂O₃弥散强化铜，将Cu-Al合金粉(气雾化或水雾化法制备)与适量氧化剂混合后，置于高温密封容器内(800-1000℃)，溶质元素Al与O之间优先发生氧化生成Al₂O₃，待内氧化完成后为将粉末中的残余氧去除，应将复合粉末进行氢气还原，之后将所得粉末进行包套，最后通过热压或热锻等成形。

虽然以上方法都可以制备弥散强化铜构件，但存在以下问题：

1)受限于压坯或包套尺寸及热等静压设备的限制，所制备的弥散强化铜构件的形状和尺寸将受到很大的限制，目前，国内的弥散铜产品普遍都是棒材且尺寸较小(一般尺寸是直径100mm*长度2000mm)，板材产品较少，如公开号为CN 109536771A的中国发明申请制备得到了1.0～5mm厚的弥散强化铜板材，但无法制备较大尺寸板材的弥散强化铜构件；

2)反应喷射沉积过程中弥散强化相容易粗化，难以起到纳米强化相作用；

3)由于氧化物对Cu粉的烧结有很强抑制作用，使得该材料在烧结时不容易达到高致密度，因而影响了弥散强化铜构件的性能；

4)机械合金化及内氧化法工艺流程操作复杂、周期长，难以实现自动化、规模化的连续生产。

以上这些问题极大地阻碍了弥散强化铜材料的推广和应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种大型弥散强化铜构件的增材制造方法，该方法能够生产不同形状的弥散强化铜构件，弥散强化铜构件的尺寸不受限制而能生产大型的弥散强化铜构件，采用该方法得到的弥散强化铜构件还具有高致密性，该方法工艺简单、容易实现自动化、规模化的连续生产。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种大型弥散强化铜构件的增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对铝合金基体表面进行除油、干燥及打磨处理；

2)对冷喷涂用的弥散强化铜粉末进行热处理，热处理温度200～600℃，热处理时间0.5～3小时；

3)使用三维建模软件对所需要的弥散强化铜构件进行三维建模，并利用数字化将三维建模转化二维平面模型；

4)对所述步骤3)中的二维平面模型进行编程，优化冷喷涂用的喷枪移动轨迹；

5)将所述步骤2)处理后的粉末装入冷喷涂送粉罐中，采用机械臂控制的冷喷涂设备在所述步骤2)处理过的铝合金基体上增材制造弥散强化铜构件后得到复合构件，弥散强化铜构件的厚度随喷涂遍数增加，弥散强化铜构件的尺寸在三维方向上逐渐增加；

6)对所述步骤5)中的复合构件进行机械加工，去除铝合金基体，得到弥散强化铜构件；

7)将所述步骤6)得到的弥散强化铜构件放入氢气还原炉中进行热处理，热处理温度600～950℃，热处理时间0.5～6小时，最终获得所需的弥散强化铜构件。

作为改进，所述步骤2)中冷喷涂用的弥散强化铜粉末中氧化铝的质量百分数比为0.3％～5％。

进一步，所述步骤2)的弥散强化铜粉末采用内氧化制备或采用机械合金法制备得到。

进一步，所述步骤2)的热处理采用氢还原热处理、真空热处理、氩气保护气氛热处理、氮气保护气氛热处理中的任一种。

进一步，所述步骤5)中的冷喷涂是保护气氛冷喷涂，首先将喷涂腔室抽真空至0～800Pa，然后通入纯度不低于99％氮气或氩气至0.1～0.3MPa，喷涂过程中不断将氮气或氩气通入喷涂腔室，保证喷涂腔室压力。

进一步，所述步骤5)中每遍增材制造的厚度可达0.1mm～3mm，弥散强化铜构件厚度大于等于10mm。

进一步，所述步骤5)制备的弥散强化铜构件采用的冷喷涂设备包括保护气氛冷喷涂系统、无保护气氛冷喷涂系统、氦气循环冷喷涂系统、激光辅助冷喷涂系统中的任一种。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、通过冷喷涂制备涂弥散强化铜构件，制备得到的弥散强化铜构件的形状和尺寸不受限制，形状例如可以是棒材或板材或其它复杂形状，尺寸例如可以制备大型的弥散强化铜构件，有利于扩展弥散强化铜构件的应用。

2、采用本发明制备的弥散强化铜构件能够避免反应喷射沉积过程中弥散强化相发生团聚现象。

3、通过热处理提高了弥散强化铜粉末的塑形，便于粉末沉积，采用本发明制备的弥散强化铜构件的内部结合紧密、具有高致密度，与机械合金化法、内氧化法相比，本发明制备弥散强化铜构件的强度较高，可以大幅度减小在加工过程中出现的脱皮、分离、剥落几率。

4、该方法工艺简单、容易实现自动化、规模化的连续生产。传统制备工艺包括Cu-Al粉末制备、混粉、内氧化、还原、等静压、烧结、热挤压、冷变形，生产工序多、生产效率低、成本高。而本发明工艺主要为弥散强化铜粉末制备、冷喷涂增材制造、热处理，可见本发明的生产工序少、工艺简单，这样可以极大降低弥散强化铜构件的加工工期，能够快速制备弥散强化铜构件，生产效率较高，有利于自动化、规模化生产。

5、采用本方法得到的弥散强化铜构件的性能优异：本发明制备的弥散强化铜构件内部应力主要为压应力，能够提高构件的疲劳性能，且内部致密，具有很高的导电率。

6、本发明对弥散强化铜粉末的利用率较高、冷喷涂效率较高。热处理可以提高弥散强化铜粉末的塑性，进而提高粉末的沉积效率，粉末不容易吹散浪费等，从而使得粉末的利用率较高；粉末沉积效率较高，也使冷喷涂效率较高。

附图说明

图1是本发明的实施例1在冷喷涂增材制造过程的示意图；

图2是本发明实施例1的弥散强化铜构件横截面微观形貌。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

参见图1，一种弥散强化铜构件的增材制造方法，包括以下步骤：

1)对尺寸15000mm*100mm*50mm板状铝合金基体表面进行除油、干燥及打磨处理。因为铝合金导热和散热性能较好，能够保证弥散强化铜构件在增材制造的过程中内部温度的均匀，且方便控制温度在一定范围，以降低温度集中引起的变形、开裂等问题发生情况。

2)对冷喷涂用的弥散强化铜粉末进行热处理，热处理温度600℃，热处理时间3小时。步骤2)中冷喷涂用的弥散强化铜粉末中氧化铝的质量百分数比为1.2％。合适的热处理条件能够降低铜弥散强化铜粉末中氧含量及粉末的硬度，增加粉末的塑形，能够提高粉末在撞击时的变形能力，提高粒子之间的结合，进而提高弥散强化铜构件的内部质量，提高内部质量具体是指弥散强化铜构件的内部气孔少、内部裂纹少。热处理温度过低无法降低粉末的硬度；热处理温度过高，氧化铝容易团聚，晶粒长大，性能降低，具体是指抗拉强度、伸长率、软化温度、导电率的降低。

步骤2)的弥散强化铜粉末采用内氧化制备得到，也可以采用机械合金法制备得到。内氧化制备、机械合金法均可以采用现有技术。步骤2)的热处理采用氢还原热处理，也可以替换为真空热处理、氩气保护气氛热处理、氮气保护气氛热处理。

3)使用三维建模软件对所需要的弥散强化铜构件进行三维建模，并利用数字化将三维建模转化二维平面模型。

4)对步骤3)中的二维平面模型进行编程，优化冷喷涂用的喷枪移动轨迹。

5)将步骤2)处理后的粉末装入冷喷涂送粉罐中，采用机械臂控制的冷喷涂设备在步骤2)处理过的铝合金基体上增材制造弥散强化铜构件后得到复合构件，弥散强化铜构件的厚度随喷涂遍数增加，弥散强化铜构件的尺寸在三维方向上逐渐增加；步骤5)中的冷喷涂是保护气氛冷喷涂，首先将喷涂腔室抽真空至600Pa，然后通入纯度不低于99％氮气或氩气至0.3MPa，喷涂过程中不断将氮气或氩气通入喷涂腔室，保证喷涂腔室压力。

步骤5)中每遍增材制造的厚度可达3mm，弥散强化铜构件厚度大于10mm以上。步骤5)制备的弥散强化铜构件采用的冷喷涂设备包括保护气氛冷喷涂系统，也可以替换为无保护气氛冷喷涂系统、氦气循环冷喷涂系统、激光辅助冷喷涂系统。

6)对步骤5)中的复合构件进行切削机械加工(例如线切割及磨粒流内孔抛光加工)，去除铝合金基体，得到尺寸为15000mm*100mm*80mm弥散强化铜构件；

7)将步骤6)得到的弥散强化铜构件放入氢气还原炉中进行热处理，热处理温度700℃，热处理时间2小时，以改善粒子之间的结合状态，提高力学性能，得到的弥散强化铜构件的尺寸15000mm*100mm*80mm。

采用冷喷涂制备弥散强化铜构件，尺寸不受限制，可以制备大型的弥散强化铜构件。

当需要制备棒材，也就是棒状弥散强化铜构件时，对应采用棒状的铝合金基体；当需要制备其它形状的弥散强化铜构件时，选择对应形状的铝合金基体，这样可以根据需要制备不同形状的弥散强化铜构件。

采用本实施例得到的弥散强化铜构件的孔隙率、抗拉强度及导电率数据参见表1。采用本实施例的方法得到的弥散强化铜构件横截面微观形貌参见图2，可见致密度较高。

表1增材制造弥散强化铜构件孔隙率、抗拉强度及导电率

试样	孔隙率(％)	抗拉强度(MPa)	导电率(％IACS)
				1	0.3	590	82
2	0.2	595	83
				3	0.2	593	82

实施例2：

一种弥散强化铜构件的增材制造方法，包括以下步骤：

1)对尺寸2000mm*100mm*60mm板状铝合金基体表面进行除油、干燥及打磨处理。

2)对冷喷涂用的弥散强化铜粉末进行热处理，热处理温度200℃，热处理时间0.5小时。步骤2)中冷喷涂用的弥散强化铜粉末中氧化铝的质量百分数比为0.3％。

5)将步骤2)处理后的粉末装入冷喷涂送粉罐中，采用机械臂控制的冷喷涂设备在步骤2)处理过的铝合金基体上增材制造弥散强化铜构件后得到复合构件，弥散强化铜构件的厚度随喷涂遍数增加，弥散强化铜构件的尺寸在三维方向上逐渐增加；步骤5)中的冷喷涂是保护气氛冷喷涂，首先将喷涂腔室抽真空至0Pa，然后通入纯度不低于99％氮气或氩气至0.1MPa，喷涂过程中不断将氮气或氩气通入喷涂腔室，保证喷涂腔室压力。

步骤5)中每遍增材制造的厚度可达0.1mm，弥散强化铜构件尺寸在三维方向上逐渐增加，达到2000mm*80mm*10mm。步骤5)制备的弥散强化铜构件采用的冷喷涂设备包括保护气氛冷喷涂系统。

6)对步骤5)中的复合构件进行机械加工，去除铝合金基体，得到弥散强化铜构件；

7)将步骤6)得到的弥散强化铜构件放入氢气还原炉中进行热处理，步骤7)中热处理温度600℃，热处理时间0.5小时。得到的弥散强化铜构件的尺寸20000mm*80mm*10mm。

实施例3：

一种弥散强化铜构件的增材制造方法，包括以下步骤：

1)对尺寸20000mm*100mm*60mm板状铝合金基体表面进行除油、干燥及打磨处理。

2)对冷喷涂用的弥散强化铜粉末进行热处理，热处理温度400℃，热处理时间1小时。步骤2)中冷喷涂用的弥散强化铜粉末中氧化铝的质量百分数比为5％。

5)将步骤2)处理后的粉末装入冷喷涂送粉罐中，采用机械臂控制的冷喷涂设备在步骤2)处理过的铝合金基体上增材制造弥散强化铜构件后得到复合构件，弥散强化铜构件的厚度随喷涂遍数增加，弥散强化铜构件的尺寸在三维方向上逐渐增加；步骤5)中的冷喷涂是保护气氛冷喷涂，首先将喷涂腔室抽真空至800Pa，然后通入纯度不低于99％氮气或氩气至0.2MPa，喷涂过程中不断将氮气或氩气通入喷涂腔室，保证喷涂腔室压力。

步骤5)中每遍增材制造的厚度可达1mm，弥散强化铜构件尺寸在三维方向上逐渐增加，达到5000mm*180mm*30mm，弥散强化铜构件厚度大于10mm以上。步骤5)制备的弥散强化铜构件采用的冷喷涂设备包括保护气氛冷喷涂系统。

7)将步骤6)得到的弥散强化铜构件放入氢气还原炉中进行热处理，步骤7)中热处理温度950℃，热处理时间6小时。最后得到的弥散强化铜构件的尺寸5000mm*180mm*30mm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种大型弥散强化铜构件的增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1) 对铝合金基体表面进行除油、干燥及打磨处理；

2) 对冷喷涂用的弥散强化铜粉末进行热处理，热处理温度200~600℃，热处理时间0.5~3小时；

3) 使用三维建模软件对所需要的弥散强化铜构件进行三维建模，并利用数字化将三维建模转化二维平面模型；

4) 对所述步骤3) 中的二维平面模型进行编程，优化冷喷涂用的喷枪移动轨迹；

5) 将所述步骤2) 处理后的粉末装入冷喷涂送粉罐中，采用机械臂控制的冷喷涂设备在所述步骤1）处理过的铝合金基体上增材制造弥散强化铜构件后得到复合构件，弥散强化铜构件的厚度随喷涂遍数增加，弥散强化铜构件的尺寸在三维方向上逐渐增加；

6) 对所述步骤5) 中的复合构件进行机械加工，去除铝合金基体，得到弥散强化铜构件；

7) 将所述步骤6) 得到的弥散强化铜构件放入氢气还原炉中进行热处理，热处理温度600~950℃，热处理时间0.5~6小时，最终获得所需的弥散强化铜构件。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤2）中冷喷涂用的弥散强化铜粉末中氧化铝的质量百分数比为0.3％~5％。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤2）的弥散强化铜粉末采用内氧化制备或采用机械合金法制备得到。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤2）的热处理采用氢还原热处理、真空热处理、氩气保护气氛热处理、氮气保护气氛热处理中的任一种。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤5）中的冷喷涂是保护气氛冷喷涂，首先将喷涂腔室抽真空至0～800 Pa，然后通入纯度不低于99％氮气或氩气至0.1～0.3 MPa，喷涂过程中不断将氮气或氩气通入喷涂腔室，保证喷涂腔室压力。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤5）中每遍增材制造的厚度可达0.1mm～3mm，弥散强化铜构件厚度大于等于10mm。

7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤5）制备的弥散强化铜构件采用的冷喷涂设备包括保护气氛冷喷涂系统、无保护气氛冷喷涂系统、氦气循环冷喷涂系统、激光辅助冷喷涂系统中的任一种。