CN113523301A - 一种铜合金多层复合结构的成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铜合金多层复合结构的成型工艺，它包括如下步骤：S1:选择打印基体和保护气体；S2:对所选择基体粉末进行真空干燥处理并进行粒径筛选；S3:用球磨机对干燥后的基体粉末进行球磨处理；S4:将球磨后的粉末分别置于多轴送粉铺粉装置的送粉料斗中；S5:采用多轴送粉铺粉装置和光纤激光器，逐层依次打印多层复合结构；S6:成型样品的表面处理以及后续热处理工艺。该3D打印工艺的流程简单，成型部件具有较高的尺寸精度，可加工具有复杂形状的部件，且异种铜合金的交替打印可以有效结合两种材料的优异性能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种铜合金多层复合结构的成型工艺，属于复合结构增材制造技术领域。
背景技术
铜合金具有导电性好、导热性好和耐蚀性好等优点。在航空航天，电力，机械制造业等领域广泛应用。其中以镍为主要添加元素的铜镍合金(白铜)强度、耐蚀性及热电性较为优异，而以以锡为主要添加元素的铜锡合金(青铜)具有熔点低、硬度大、可塑性强、耐磨等特性。通过两种成分铜合金的结合而形成的多层复合结构能够兼具两种铜合金的优势，在工业应用中具有极大前景。
白铜与青铜的层状结构可通过传统的方法获得。在授权公告号为CN106494032B、授权公告日为2018.07.27的发明专利中公开了一种层状结构镁合金复合材料及其制备方法，该复合材料包括至少两个层状组元,各层之间通过镶嵌铸造冶金结合在一起,过渡层为由至少种不同结构的亚层构成,条状析出物分散层,无析出层和颗粒状析出物分散层。但该方法局限性较大，且应用于铜合金复合结构的制备较为复杂。
在授权公告号为CN108611511B、授权公告日为2019.08.09的发明专利中公开了一种三维互通CNTs/Cu复合材料及其制备方法，其运用放电等离子预压烧结三维疏松结构，并采用水辅助化学气相沉积(CVD)法实现CNTs的原位生成，最后采用SPS制备CNTs/Cu复合材料。这项过程较为复杂，且对设备要求较高，故不便于广泛应用于铜合金复合结构的制备。
而3D技术作为一种快速成型技术，可以通过逐层打印的方式来构建复合结构，且该技术具有成本低、效率高等优势，可以极大提高生产效率、节省成本。目前这项技术已广泛应用于医疗器械、汽车制造、工业设计等诸多领域。
在申请公布号为CN111957967A、申请公布日为2020.11.20的发明专利申请中公开了一种3D打印制备多尺度陶瓷相增强金属复合材料的方法，其采用微米级TiC、TiB2、WC、SiC、CrC和A12O3中的一种或多种陶瓷颗粒作为原料，通过分批次加入陶瓷颗粒与一定比例的金属粉末，进行特定的球磨工艺、等离子球化、气流分级以及筛分，得到球形度高、流动性好、粒度范围窄的多尺度陶瓷相均匀分布的金属复合粉末，通过3D打印制备多尺度陶瓷相增强的金属复合材料。但这种工艺无法将两种完全不同的铜合金可控的结合在一起，这就是现有技术所存在的不足之处。
发明内容
本发明要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种铜合金多层复合结构的成型工艺，该成型工艺的流程简单，成型部件具有较高的尺寸精度，可加工具有复杂形状的部件，且异种铜合金的交替打印可以有效结合两种材料的优异性能。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种铜合金多层复合结构的成型工艺，它包括如下步骤：
S1:选择打印基体和保护气体：打印基体选用304不锈钢板，保护气体为纯度为99.99％的氩气；
S2:对所选择基体粉末进行真空干燥处理并进行粒径筛选：所选基体粉末为白铜粉末和青铜粉末，并将白铜粉末和青铜粉末置于真空干燥箱内进行干燥，真空干燥处理的干燥时间为3-5h，干燥温度为100℃-200℃，且干燥后的粉末运用振荡器对其进行粒度筛选，粒径筛选时采用的筛网目数为150目-250目；
S3:用球磨机对干燥后的基体粉末进行球磨处理：所述球磨机选择立式行星球磨机，将白铜粉末和青铜粉末分别置于立式行星球磨机相对的两侧球磨罐中，并加入球磨球以及酒精，酒精的液面高度高于球磨球2-10cm，所述球磨处理时的球料比为4:1-6:1，球磨转速为100rpm-200rpm，球磨时长为6-12h，球磨完成后静置24小时，倒出酒精并继续真空干燥1-3h；
S4:将球磨后的粉末分别置于多轴送粉铺粉装置的送粉料斗中；
S5:采用多轴送粉铺粉装置和光纤激光器，逐层依次打印多层复合结构；
S6:成型样品的表面处理以及后续热处理工艺：将成形样品从打印基体上切除，对样品表面进行打磨，并对成形后的样品进行固溶热处理工艺。
优选的，所述多轴送粉铺粉装置包括打印平台、送粉铺粉机构、清粉机构和粉末回收机构；
所述打印平台用于放置打印基体；
所述送粉铺粉机构内分别装有白铜粉末和青铜粉末，所述送粉铺粉机构将流出的白铜粉末或青铜粉末均匀的平铺在打印基体上的打印区域；
所述清粉机构用于将多余的白铜粉末或青铜粉末扫出打印区域，每铺一层粉末之前，所述清粉机构单向运动一次，将打印区域多余的粉末扫出打印区域；
所述粉末回收机构位于打印平台的周边，用于回收多余的白铜粉末和青铜粉末。
优选的，所述步骤S5中的逐层依次打印方式为：
(1)所述送粉铺粉机构先在打印基体上平铺一层白铜粉末，选择互相分离的方块区域打印，再通过清粉机构刮走多余粉末，然后送粉铺粉机构返程，平铺一层青铜粉末，选择空余区域打印，然后清粉机构返程将多余粉末刮走，此为一层；
(2)然后打印平台下移，重复步骤(1)继续打印：其中，平铺白铜粉末后，选择打印区域包含在步骤(1)中的青铜打印区域内；而青铜粉末平铺后，打印区域为新一层的空余区域，以此类推，打印形成多层复合结构。
优选的，所述方块区域为1-10mm×1-10mm的方形，每打印完一层打印平台下移的高度为30-80μm。
优选的，所述送粉铺粉机构包括安装支架A和送粉料斗；
所述安装支架A的顶部转动连接有两根相互平行的左右向丝杠，两左右向丝杠分别螺纹连接有丝母A，所述送粉料斗的前后两端分别与两丝母A固连，两左右向丝杠的动力输入端分别固连有从动齿轮A，两从动齿轮A分别与主动齿轮A啮合，所述主动齿轮A固定安装在伺服电机A的输出轴上；
所述送粉料斗的内部贯穿固定有竖向刮板，所述竖向刮板将送粉料斗的内腔分隔为白铜料斗和青铜料斗，所述竖向刮板的底部伸出送粉料斗的底部，所述送粉料斗左右两侧的前后两端分别固定安装有左右向滑轨，所述左右向滑轨内滑动连接有挡料板，所述挡料板的底部设置有容置槽，所述容置槽内设置有毛刷板，所述毛刷板的内侧端与容置槽的内侧端铰接、外侧端为自由端，且毛刷板的自由端固连有软毛刷，所述毛刷板的铰接角为α，0°≤α≤90°，所述送粉料斗的底部还对称固连有两块位于竖向刮板两侧的L形挡板，两L形挡板中的垂直板与竖向刮板之间形成下料通道，两L形挡板中的水平板位于挡料板的下方，且挡料板的外侧端长于L形挡板中水平板的外侧端；
所述送粉料斗的两则分别固连有安装支架，两安装支架上分别固连有电动推杆，两电动推杆的推杆端部分别与两挡料板的外侧面中部固连。
优选的，所述清粉机构包括安装支架B，所述安装支架B的顶部转动连接有两根相互平行前后向丝杠,两前后向丝杠上分别螺纹连接有丝母B，两丝母B的底部分别铰接有清粉刷，所述清粉刷的铰接角度为β，0°≤β≤90°，所述清粉刷中设置有两层刷毛，两层刷毛沿清粉刷的移动方向间隔设置，两前后向丝杠的动力输入端均固连有从动齿轮B，两从动齿轮B分别与主动齿轮B啮合，所述主动齿轮B固定安装在伺服电机B的输出轴上；
所述安装支架B的前后两相对侧上部对称固连有合刷挡板，所述合刷挡板的底部高于丝母A的顶部，所述合刷挡板的顶部与前后向丝杠的底部之间留有间距，且该间距大于清粉刷的厚度，当送粉铺粉机构工作时，所述清粉刷折叠至水平状态，所述清粉刷中与丝母B铰接的一端位于合刷挡板与前后向丝杠之间。
优选的，所述粉末回收机构包括L形白铜粉末回收槽和L形青铜粉末回收槽，所述L形白铜粉末回收槽和L形青铜粉末回收槽的内侧边与打印平台的底部平齐，所述L形白铜粉末回收槽和L形青铜粉末回收槽的外侧边高于内侧边，所述L形白铜粉末回收槽和L形青铜粉末回收槽的两端对接并形成方形环状结构，所述L形白铜粉末回收槽与打印平台的左侧和后侧对应，所述L形青铜粉末回收槽与打印平台的前侧和右侧对应。
优选的，所述步骤S5中进行打印前将打印基体预热至50-200℃，所述光纤激光器的加工功率为100-200W、光斑直径为40μm、扫描速度为2-7m/s。
优选的，所述步骤S6中的固溶热处理工艺中，固溶温度为500-1200℃，固溶时间为0.5-4h。
优选的，所述打印平台包括平台本体，所述平台本体的底部固连有内螺纹套筒，所述内螺纹套筒的底部螺纹连接有竖向丝杠，所述竖向丝杠的底部固连有从动齿轮C，所述从动齿轮C啮合有主动齿轮C，所述主动齿轮C固定安装在伺服电机C的输出轴上，伺服电机C通过主动齿轮C和从动齿轮C驱动竖向丝杠转动，使内螺纹套筒沿竖向丝杠移动，平台本体随内螺纹套筒同步移动。
本发明的有益效果：该铜合金多层复合结构的成型工艺中，通过改善选区激光熔化的送粉铺粉机构，采用新型的扫描策略，将两种完全不同的铜合金可控的结合在一起，并且具有独特的复合结构。采用该种打印方式，可以有效地将两种材料的优势性能结合在一起，同时获得良好的导电性、耐腐蚀性与可加工性能等；而且采用3D打印技术可以成形传统工艺难以成行的形状以及精度，设计自由度更高。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的工艺流程图。
图2为多轴送粉铺粉装置的结构示意图。
图3为多轴送粉铺粉装置的局部结构示意图。
图4为送粉料斗的结构示意图。
图5为毛刷板折叠状态时的结构示意图。
图6为毛刷板打开至垂直状态时的结构示意图。
图7为清粉刷的结构示意图。
图8为L形白铜粉末回收槽和L形青铜粉末回收槽的结构示意图。
图中，1-左右向丝杠，2-送粉料斗，3-丝母A，4-清粉刷，5-前后向丝杠，6-丝母B，7-安装支架，8-挡料板，9-竖向丝杠，10-打印基体，11-白铜粉末，12-青铜粉末，13-内螺纹套筒，14-平台本体，15-电动推杆，16-主动齿轮C，17-伺服电机C，18-L形青铜粉末回收槽，19-安装支架B，20-从动齿轮C，21-L形挡板，22-L形白铜粉末回收槽，23-安装支架A，24-伺服电机A，25-主动齿轮A，26-从动齿轮A，27-合刷挡板，28-伺服电机B，29-主动齿轮B，30-从动齿轮B，31-毛刷板，32-软毛刷，33-容置槽，34-竖向刮板，35-左右向滑轨。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
一种铜合金多层复合结构的成型工艺，它包括如下步骤：
S1:选择打印基体10和保护气体：打印基体10选用304不锈钢板，保护气体为纯度为99.99％的氩气，填充在整个加工室内；
S2:对所选择基体粉末进行真空干燥处理并进行粒径筛选：所选基体粉末为白铜粉末11和青铜粉末12，并将白铜粉末11和青铜粉末12置于真空干燥箱内进行干燥，真空干燥处理的干燥时间为3-5h，干燥温度为100℃-200℃，且干燥后的粉末运用振荡器对其进行粒度筛选，粒径筛选时采用的筛网目数为150目-250目；
S3:用球磨机对干燥后的基体粉末进行球磨处理：所述球磨机选择立式行星球磨机，将白铜粉末11和青铜粉末12分别置于立式行星球磨机相对的两侧球磨罐中，并加入球磨球以及酒精，酒精的液面高度高于球磨球2-10cm，所述球磨处理时的球料比为4:1-6:1，球磨转速为100rpm-200rpm，球磨时长为6-12h，球磨完成后静置24小时，倒出酒精并继续真空干燥1-3h；
S4:将球磨后的粉末分别置于多轴送粉铺粉装置的送粉料斗2中；
S5:采用多轴送粉铺粉装置和光纤激光器，逐层依次打印多层复合结构，所述光纤激光器的加工功率为100-200W、光斑直径为40μm、扫描速度为2-7m/s；具体来说，逐层依次打印方式为：
(1)所述送粉铺粉机构先在打印基体10上平铺一层白铜粉末11，选择互相分离的方块区域打印，进行打印前将打印基体10预热至50-200℃，所述方块区域为1-10mm×1-10mm的方形，再通过清粉机构刮走多余粉末，然后送粉铺粉机构返程，平铺一层青铜粉末12，选择空余区域打印，然后清粉机构返程将多余粉末刮走，此为一层；
(2)然后打印平台中的平台本体14下移，重复步骤(1)继续打印，每打印完一层打印平台中的平台本体14下移的高度为30-80μm：其中，平铺白铜粉末11后，选择打印区域包含在步骤(1)中的青铜打印区域内；而青铜粉末12平铺后，打印区域为新一层的空余区域，以此类推，打印形成多层复合结构；
如图1所示，以五乘五方形分区模式为例，送粉铺粉机构先在打印基体10上平铺一层白铜粉末11，选择图1(a)中所示的黑色方块区域打印，然后应用清粉刷4扫走多余的白铜粉末11，然后送粉铺粉机构返程，平铺一层青铜粉末12，选择图1(a)中除黑色方块区域外的空余区域(即图1(b)中的灰色区域)打印，清粉刷返程将多余的青铜粉末12扫走，此为一层；打印平台17中的平台本体14由伺服电机C17控制下移30-80μm，继续重复上述步骤进行打印，但此次平铺白铜粉末11后，选择的打印区域包含在上一层的灰色区域内(如图1(c)所示)，而青铜粉末12平铺后，选择的打印区域为新一层的空余区域(如图1(d)所示)，以此类推，形成多层复合结构，且方块区域的尺寸及形状可调，具有较高的设计自由度。
S6:成型样品的表面处理以及后续热处理工艺：将成形样品从打印基体10上切除，对样品表面进行打磨，并对成形后的样品进行固溶热处理工艺，固溶热处理工艺中，固溶温度为500-1200℃，固溶时间为0.5-4h。成形后的样品未经热处理前界面尺寸晶粒分布不均，呈现明显的鱼鳞纹状形貌，故需对成形后的样品进行退火热处理工艺，达到晶粒细化，消除残余应力的目的，而且较高的温度可以促进异种铜合金之间元素的扩散，形成周期性的元素分布，增强试样的性能。
所述多轴送粉铺粉装置包括打印平台、送粉铺粉机构、清粉机构和粉末回收机构。
所述打印平台用于放置打印基体10。所述打印平台包括平台本体14，所述平台本体14的底部固连有内螺纹套筒13，所述内螺纹套筒13的底部螺纹连接有竖向丝杠9，所述竖向丝杠9的底部固连有从动齿轮C20，所述从动齿轮C20啮合有主动齿轮C16，所述主动齿轮C16固定安装在伺服电机C17的输出轴上，伺服电机C17通过主动齿轮C16和从动齿轮C20驱动竖向丝杠9转动，使内螺纹套筒13沿竖向丝杠9移动，平台本体14随内螺纹套筒13同步移动。
所述送粉铺粉机构内分别装有白铜粉末11和青铜粉末12，所述送粉铺粉机构将流出的白铜粉末11或青铜粉末12均匀的平铺在打印基体10上的打印区域。
所述送粉铺粉机构包括安装支架A23和送粉料斗2。所述安装支架A23的顶部转动连接有两根相互平行的左右向丝杠1，两左右向丝杠1分别螺纹连接有丝母A3，所述送粉料斗2的前后两端分别与两丝母A3固连，两左右向丝杠1的动力输入端分别固连有从动齿轮A26，两从动齿轮A26分别与主动齿轮A25啮合，所述主动齿轮A25固定安装在伺服电机A24的输出轴上，两从动齿轮A26之间不啮合，伺服电机A24驱动主动齿轮A25转动，主动齿轮A25带动两从动齿轮A26同向转动，从而使两左右向丝杠1同向转动，两左右向丝杠1的转动使两丝母A3同时向左或向右移动，从而实现送粉料斗2的左右移动。
所述送粉料斗2的内部贯穿固定有竖向刮板34，所述竖向刮板34将送粉料斗2的内腔分隔为白铜料斗和青铜料斗，白铜粉末11和青铜粉末12分别置于白铜料斗和青铜料斗内，所述竖向刮板34的底部伸出送粉料斗2的底部，伸出送粉料斗2底部的竖向刮板34用来铺平粉末。所述送粉料斗2左右两侧的前后两端分别固定安装有左右向滑轨35，所述左右向滑轨35内滑动连接有挡料板8，挡料板8用于控制送粉料斗2底部出口的开和关，所述送粉料斗2的两则分别固连有安装支架7，两安装支架7上分别固连有电动推杆15，两电动推杆15的推杆端部分别与两挡料板8的外侧面中部固连，通过电动推杆15驱动挡料板8沿左右向滑轨35滑动，实现送粉料斗2底部出口的开和关。所述挡料板8的底部设置有容置槽33，所述容置槽33内设置有毛刷板31，所述毛刷板31的内侧端与容置槽33的内侧端铰接、外侧端为自由端，且毛刷板31的自由端固连有软毛刷32，所述毛刷板31的铰接角为α，0°≤α≤90°，毛刷板31可折叠收纳在容置槽33内，也可打开至垂直状态，使软毛刷32对打印基体10上的残余粉末进行二次清扫。所述送粉料斗2的底部还对称固连有两块位于竖向刮板34两侧的L形挡板21，两L形挡板21中的垂直板与竖向刮板34之间形成下料通道，用于出粉，两L形挡板21中的水平板位于挡料板8的下方，且挡料板8的外侧端长于L形挡板21中水平板的外侧端，当电动推杆15推动挡料板8沿左右向滑轨35向内滑动将送粉料斗底部的出口关闭时，挡料板8带动毛刷板31同步移动，这一过程中，在L形挡板21中水平板的阻挡作用下，毛刷板31和软毛刷32逐渐收至容置槽33内，反之，当电动推杆15带动挡料板8沿左右向滑轨35向外滑动将送粉料斗2底部的出口打开时，随着挡料板8的外向滑动，毛刷板31和软毛刷32在重力的作用下逐渐向下转动，当挡料板8向外移动到位后，毛刷板31和软毛刷32在重力的作用下转动至垂直状态，且毛刷板31的内侧与L形挡板21中水平板的端部接触，保证清扫粉末时毛刷板31和软毛刷32不会转动。
所述清粉机构用于将多余的白铜粉末11或青铜粉末12扫出打印区域，每铺一层粉末之前，所述清粉机构单向运动一次，将打印区域多余的粉末扫出打印区域。
所述清粉机构包括安装支架B19，所述安装支架B19的顶部转动连接有两根相互平行前后向丝杠5,两前后向丝杠5上分别螺纹连接有丝母B6，两丝母B6的底部分别铰接有清粉刷4，所述清粉刷4的铰接角度为β，0°≤β≤90°，所述清粉刷4中设置有两层刷毛，两层刷毛沿清粉刷4的移动方向间隔设置，这种结构形式的清粉刷4的清扫能力强，可以有效地对粉末进行清扫。两前后向丝杠5的动力输入端均固连有从动齿轮B30，两从动齿轮B30分别与主动齿轮B29啮合，两从动齿轮B30相互不啮合，所述主动齿轮B29固定安装在伺服电机B28的输出轴上。伺服电机B28驱动主动齿轮B29转动，主动齿轮B29带动两从动齿轮B30同向转动，从而使两前后向丝杠5同向转动，两前后向丝杠5的转动使两丝母B6同时向前或向后移动，从而实现清粉刷4的前向移动。
所述安装支架B19的前后两相对侧上部对称固连有合刷挡板27，所述合刷挡板27的底部高于丝母A3的顶部，以防止合刷挡板27干涉丝母A3的移动，所述合刷挡板27的顶部与前后向丝杠5的底部之间留有间距，且该间距大于清粉刷4的厚度，当送粉铺粉机构工作时，所述清粉刷4折叠至水平状态，防止清粉刷4干涉送粉铺粉机构的工作，所述清粉刷4中与丝母B6铰接的一端位于合刷挡板27与前后向丝杠5之间。具体来说，丝母B6带动清粉刷4移动，对多余的粉末进行清扫，当清粉刷4接触到合刷挡板27后，随着丝母B6的移动，合刷挡板27推动清粉刷4向上转动，当丝母B6移动至预设位置后，伺服电机B28停止工作，此时，清粉刷4转动至水平状态，并通过合刷挡板27对清粉刷4进行限位，此时，清粉刷4的自由端与另一合刷挡板27之间留有间距，然后送粉铺粉机构进行铺粉作业，铺粉作业完成后，伺服电机B28反向转动，使丝母B6沿前后向丝杠5回程移动，这一过程中，清粉刷4在重力的作用下，逐渐向下转动，直至转动至垂直状态，即可通过清粉刷4对打印基体10上的多余粉末进行清扫。
所述粉末回收机构位于打印平台中的平台本体14的周边，用于回收多余的白铜粉末11和青铜粉末12。所述粉末回收机构包括L形白铜粉末回收槽22和L形青铜粉末回收槽18，所述L形白铜粉末回收槽22和L形青铜粉末回收槽18的内侧边与打印平台中的平台本体14的底部平齐，既能保证白铜粉末11和青铜粉末12能够顺利的回收至L形白铜粉末回收槽22和L形青铜粉末回收槽18内，又可避免白铜粉末11和青铜粉末12飞溅出L形白铜粉末回收槽22和L形青铜粉末回收槽18。所述L形白铜粉末回收槽22和L形青铜粉末回收槽18的外侧边高于内侧边，所述L形白铜粉末回收槽22和L形青铜粉末回收槽18的两端对接并形成方形环状结构，所述L形白铜粉末回收槽22与打印平台中的平台本体14的左侧和后侧对应，分别用于回收清粉刷4和软毛刷32清扫出的白铜粉末11。所述L形青铜粉末回收槽18与打印平台中的平台本体14的前侧和右侧对应，分别用于回收清粉刷4和软毛刷32清扫出的青铜粉末12。
所述多轴送粉铺粉装置的工艺流程为：
(1)白铜料斗所在侧的电动推杆15带动相应的挡料板8沿左右向滑轨35向外滑动，将白铜料斗的出口打开，同时，毛刷板31和软毛刷32处于垂直状态，通过伺服电机A24的正向转动，使两丝母A3带动送粉料斗2向右移动，移动过程中，软毛刷32先对打印基体10进行清扫，将打印基体10上残余的青铜粉末12扫至L形青铜粉末回收槽18内，白铜料斗内的白铜粉末11落至打印基体10上，竖向刮板34的底部将白铜粉末11铺平，送粉料斗2运行至预设位置后，伺服电机A24停止工作，白铜料斗所在侧的电动推杆15推动挡料板8沿左右向滑轨35向内滑动将白铜料斗的出口关闭，同时，毛刷板31和软毛刷32逐渐收至容置槽33内；
(2)伺服电机B28驱动主动齿轮B29正向转动，主动齿轮B29带动两从动齿轮B30同向转动，从而使两前后向丝杠5同向转动，两前后向丝杠5的转动使两丝母B6同时向后移动，清粉刷4在重力的作用下逐渐向下转动至垂直状态，通过清粉刷4对多余的白铜粉末11进行清扫，最终将多余的白铜粉末11清扫至L形白铜粉末回收槽22内，当丝母B6移动至预设位置后，伺服电机B28停止工作，此时，清粉刷4转动至水平状态，并通过后侧的合刷挡板27对清粉刷4进行限位；
(3)青铜料斗所在侧的电动推杆15带动相应的挡料板8沿左右向滑轨35向外滑动，将青铜料斗的出口打开，同时，毛刷板31和软毛刷32处于垂直状态，伺服电机A24的反向转动，使两丝母A3带动送粉料斗2向左移动，移动过程中，软毛刷32先对打印基体10上的多余白铜粉末11进行清扫，最终将打印基体10上多余的白铜粉末11扫至L形白铜粉末回收槽22内，青铜料斗内的青铜粉末12落至打印基体10上，竖向刮板34的底部将青铜粉末12铺平，送粉料斗2运行至预设位置后，伺服电机A24停止工作，青铜料斗所在侧的电动推杆15推动挡料板8沿左右向滑轨35向内滑动将青铜料斗的出口关闭，同时，毛刷板31和软毛刷32逐渐收至容置槽33内；
(4)伺服电机B28驱动主动齿轮B29反向转动，主动齿轮B29带动两从动齿轮B30同向转动，从而使两前后向丝杠5同向转动，两前后向丝杠5的转动使两丝母B6同时向前移动，清粉刷4在重力的作用下逐渐向下转动至垂直状态，通过清粉刷4对多余的白铜粉末11进行清扫，最终将多余的白铜粉末11清扫至L形白铜粉末回收槽22内，当丝母B6移动至预设位置后，伺服电机B28停止工作，此时，清粉刷4转动至水平状态，并通过前侧的合刷挡板27对清粉刷4进行限位；
(5)重复步骤(1)，如此循环往复，达到成形多种材料复合结构的目的。
本发明通过设计送粉铺粉机构以及清粉机构，打破了传统复合结构3D打印的单一逐层打印的模式，大幅度提高了生产效率，提升了产品质量，并且提供了更多复合结构方案的可能性；同时，本发明还提供了一种全新的复合结构打印模式，针对青铜与白铜合金可以生产具有一定形状精度以及尺寸精度的复合结构材料，为铜合金复合结构材料的生产提供了新的方向，要显著优于传统的加工方式(如铸造、锻造等)以及单一材料的3D打印工艺。
本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种铜合金多层复合结构的成型工艺，其特征是：它包括如下步骤：
S1:选择打印基体(10)和保护气体：打印基体(10)选用304不锈钢板，保护气体为纯度为99.99％的氩气；
S2:对所选择基体粉末进行真空干燥处理并进行粒径筛选：所选基体粉末为白铜粉末(11)和青铜粉末(12)，并将白铜粉末(11)和青铜粉末(12)置于真空干燥箱内进行干燥，真空干燥处理的干燥时间为3-5h，干燥温度为100℃-200℃，且干燥后的粉末运用振荡器对其进行粒度筛选，粒径筛选时采用的筛网目数为150目-250目；
S3:用球磨机对干燥后的基体粉末进行球磨处理：所述球磨机选择立式行星球磨机，将白铜粉末(11)和青铜粉末(12)分别置于立式行星球磨机相对的两侧球磨罐中，并加入球磨球以及酒精，酒精的液面高度高于球磨球2-10cm，所述球磨处理时的球料比为4:1-6:1，球磨转速为100rpm-200rpm，球磨时长为6-12h，球磨完成后静置24小时，倒出酒精并继续真空干燥1-3h；
S4:将球磨后的粉末分别置于多轴送粉铺粉装置的送粉料斗(2)中；
S5:采用多轴送粉铺粉装置和光纤激光器，逐层依次打印多层复合结构；
S6:成型样品的表面处理以及后续热处理工艺：将成形样品从打印基体(10)上切除，对样品表面进行打磨，并对成形后的样品进行固溶热处理工艺。
2.根据权利要求1所述的铜合金多层复合结构的成型工艺，其特征是：所述多轴送粉铺粉装置包括打印平台、送粉铺粉机构、清粉机构和粉末回收机构；
所述打印平台用于放置打印基体(10)；
所述送粉铺粉机构内分别装有白铜粉末(11)和青铜粉末(12)，所述送粉铺粉机构将流出的白铜粉末(11)或青铜粉末(12)均匀的平铺在打印基体(10)上的打印区域；
所述清粉机构用于将多余的白铜粉末(11)或青铜粉末(12)扫出打印区域，每铺一层粉末之前，所述清粉机构单向运动一次，将打印区域多余的粉末扫出打印区域；
所述粉末回收机构位于打印平台的周边，用于回收多余的白铜粉末(11)和青铜粉末(12)。
3.根据权利要求2所述的铜合金多层复合结构的成型工艺，其特征是：所述步骤S5中的逐层依次打印方式为：
(1)所述送粉铺粉机构先在打印基体(10)上平铺一层白铜粉末(11)，选择互相分离的方块区域打印，再通过清粉机构刮走多余粉末，然后送粉铺粉机构返程，平铺一层青铜粉末(12)，选择空余区域打印，然后清粉机构返程将多余粉末刮走，此为一层；
(2)然后打印平台下移，重复步骤(1)继续打印：其中，平铺白铜粉末(11)后，选择打印区域包含在步骤(1)中的青铜打印区域内；而青铜粉末(12)平铺后，打印区域为新一层的空余区域，以此类推，打印形成多层复合结构。
4.根据权利要求3所述的铜合金多层复合结构的成型工艺，其特征是：所述方块区域为1-10mm×1-10mm的方形，每打印完一层打印平台下移的高度为30-80μm。
5.根据权利要求4所述的铜合金多层复合结构的成型工艺，其特征是：所述送粉铺粉机构包括安装支架A(23)和送粉料斗(2)；
所述安装支架A(23)的顶部转动连接有两根相互平行的左右向丝杠(1)，两左右向丝杠(1)分别螺纹连接有丝母A(3)，所述送粉料斗(2)的前后两端分别与两丝母A(3)固连，两左右向丝杠(1)的动力输入端分别固连有从动齿轮A(26)，两从动齿轮A(26)分别与主动齿轮A(25)啮合，所述主动齿轮A(25)固定安装在伺服电机A(24)的输出轴上；
所述送粉料斗(2)的内部贯穿固定有竖向刮板(34)，所述竖向刮板(34)将送粉料斗(2)的内腔分隔为白铜料斗和青铜料斗，所述竖向刮板(34)的底部伸出送粉料斗(2)的底部，所述送粉料斗(2)左右两侧的前后两端分别固定安装有左右向滑轨(35)，所述左右向滑轨(35)内滑动连接有挡料板(8)，所述挡料板(8)的底部设置有容置槽(33)，所述容置槽(33)内设置有毛刷板(31)，所述毛刷板(31)的内侧端与容置槽(33)的内侧端铰接、外侧端为自由端，且毛刷板(31)的自由端固连有软毛刷(32)，所述毛刷板(31)的铰接角为α，0°≤α≤90°，所述送粉料斗(2)的底部还对称固连有两块位于竖向刮板(31)两侧的L形挡板(21)，两L形挡板(21)中的垂直板与竖向刮板(34)之间形成下料通道，两L形挡板(21)中的水平板位于挡料板(8)的下方，且挡料板(8)的外侧端长于L形挡板(21)中水平板的外侧端；
所述送粉料斗(2)的两则分别固连有安装支架(7)，两安装支架(7)上分别固连有电动推杆(15)，两电动推杆(15)的推杆端部分别与两挡料板(8)的外侧面中部固连。
6.根据权利要求5所述的铜合金多层复合结构的成型工艺，其特征是：所述清粉机构包括安装支架B(19)，所述安装支架B(19)的顶部转动连接有两根相互平行前后向丝杠(5),两前后向丝杠(5)上分别螺纹连接有丝母B(6)，两丝母B(6)的底部分别铰接有清粉刷(4)，所述清粉刷(4)的铰接角度为β，0°≤β≤90°，所述清粉刷(4)中设置有两层刷毛，两层刷毛沿清粉刷(4)的移动方向间隔设置，两前后向丝杠(5)的动力输入端均固连有从动齿轮B(30)，两从动齿轮B(30)分别与主动齿轮B(29)啮合，所述主动齿轮B(29)固定安装在伺服电机B(28)的输出轴上；
所述安装支架B(19)的前后两相对侧上部对称固连有合刷挡板(27)，所述合刷挡板(27)的底部高于丝母A(3)的顶部，所述合刷挡板(27)的顶部与前后向丝杠(5)的底部之间留有间距，且该间距大于清粉刷(4)的厚度，当送粉铺粉机构工作时，所述清粉刷(4)折叠至水平状态，所述清粉刷(4)中与丝母B(6)铰接的一端位于合刷挡板(27)与前后向丝杠(5)之间。
7.根据权利要求6所述的铜合金多层复合结构的成型工艺，其特征是：所述粉末回收机构包括L形白铜粉末回收槽(22)和L形青铜粉末回收槽(18)，所述L形白铜粉末回收槽(22)和L形青铜粉末回收槽(18)的内侧边与打印平台的底部平齐，所述L形白铜粉末回收槽(22)和L形青铜粉末回收槽(18)的外侧边高于内侧边，所述L形白铜粉末回收槽(22)和L形青铜粉末回收槽(18)的两端对接并形成方形环状结构，所述L形白铜粉末回收槽(22)与打印平台的左侧和后侧对应，所述L形青铜粉末回收槽(18)与打印平台的前侧和右侧对应。
8.根据权利要求7所述的铜合金多层复合结构的成型工艺，其特征是：所述步骤S5中进行打印前将打印基体(10)预热至50-200℃，所述光纤激光器的加工功率为100-200W、光斑直径为40μm、扫描速度为2-7m/s。
9.根据权利要求8所述的铜合金多层复合结构的成型工艺，其特征是：所述步骤S6中的固溶热处理工艺中，固溶温度为500-1200℃，固溶时间为0.5-4h。
10.根据权利要求9所述的铜合金多层复合结构的成型工艺，其特征是：所述打印平台包括平台本体(14)，所述平台本体(14)的底部固连有内螺纹套筒(13)，所述内螺纹套筒(13)的底部螺纹连接有竖向丝杠(9)，所述竖向丝杠(9)的底部固连有从动齿轮C(20)，所述从动齿轮C(20)啮合有主动齿轮C(16)，所述主动齿轮C(16)固定安装在伺服电机C(17)的输出轴上，伺服电机C(17)通过主动齿轮C(16)和从动齿轮C(20)驱动竖向丝杠(9)转动，使内螺纹套筒(13)沿竖向丝杠(9)移动，平台本体(14)随内螺纹套筒(13)同步移动。
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Denomination of invention: Forming process of a copper alloy multi-layer composite structure Granted publication date: 20220923 Pledgee: Guangping County Rural Credit Cooperative Pledgor: Shenghang Powder Metallurgy Hebei Co.,Ltd. Registration number: Y2024130000018 |