CN114131049B - 一种铜及铜合金的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种铜及铜合金的增材制造方法，属于增材制造技术领域。铜及铜合金的增材制造方法包括在基板上增材的过程中，使用蓝光激光束和近红外光激光束组成的复合激光束对铜粉末和/或铜合金粉末处理。蓝光激光束的功率为800～1000W，近红外光激光束的功率为3000～5000W。本申请的铜及铜合金的增材制造方法使用近红外光激光束和蓝光激光束组成的复合激光束对铜粉末和/或铜合金粉末处理实现增材制造，蓝光激光束能够使铜粉末和/或铜合金粉末发生熔化而产生熔池，红近红外光激光束能够弥补蓝光激光束的功率不足，继续作用于生产的熔池，扩大熔池，使得更多的铜粉末和/或铜合金粉末发生熔化。

Description

一种铜及铜合金的增材制造方法
技术领域
本申请涉及增材制造技术领域，具体而言，涉及一种铜及铜合金的增材制造方法。
背景技术
铜及其合金由于具备优良的导热性、导电性、延展性、耐蚀性而受到业界的认可和关注，其在电子信息、航空航天、新能源汽车等领域有着重要的应用。
和传统加工工艺相比，激光增材制造可实现结构复杂零件的设计及加工，且具有无模具近净成形和周期短等特点，从而能够弥补传统加工工艺的不足，释放设计空间，使得设计朝着功能、性能、审美等一体化发展。对于铜合金的增材，目前报道有通过电弧-激光复合增材及选区激光熔化等方法来进行制备，其中，涉及了基板的预热、层间温度的保持、粉末的表面改性，增加了工艺的复杂程度。
发明内容
本申请提供了一种铜及铜合金的增材制造方法，其能够简化铜及铜合金的增材工艺。
本申请的实施例是这样实现的：
在第一方面，本申请示例提供了一种铜及铜合金的增材制造方法，其包括：在基板上增材的过程中，使用蓝光激光束和近红外光激光束组成的复合激光束对铜粉末和/或铜合金粉末处理。
蓝光激光束的功率为800～1000W，近红外光激光束的功率为3000～5000W。
在上述技术方案中，本申请的铜及铜合金的增材制造方法使用近红外光激光束和蓝光激光束组成的复合激光束对铜粉末和/或铜合金粉末处理实现增材制造，蓝光激光束能够使铜粉末和/或铜合金粉末发生熔化而产生熔池，红近红外光激光束能够弥补蓝光激光束的功率不足，继续作用于生产的熔池，扩大熔池，使得更多的铜粉末和/或铜合金粉末发生熔化。
本申请的铜及铜合金的增材制造方法不需要对基本进行预热及保温，也不需要对铜粉末和/或铜合金粉末进行改性，使得铜及铜合金增材工艺变得更为便捷简单。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的示例中，开始增材时，先打开蓝光激光束100～200ms后，再打开近红外光激光束。
完成增材后，先关闭近红外光激光束50～100ms，再关闭蓝光激光束。
在上述示例中，铜及铜合金在固态的情况下对近红外光激光束的吸收率较低，而对蓝光激光束的吸收率较高。先打开蓝光激光束100～200ms，使得铜粉末和/或铜合金粉末吸收蓝光激光束发生熔化而产生熔池，再打开近红外光激光束，以弥补蓝光激光束的功率不足，继续作用于生产的熔池，扩大熔池，使得更多的铜粉末和/或铜合金粉末发生熔化。
另外，如果没有先打开蓝光激光束使得铜及铜合金吸收蓝光激光束发生熔化而产生熔池，近红外光激光束会在作用于固态铜及铜合金后发生反射，并反射回激光增材光路系统，造成设备的损伤。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第二种可能的示例中，上述蓝光激光束呈高斯热源分布，近红外光激光束呈均匀热源分布。
在上述示例中，呈高斯热源分布的蓝光激光束有助于其功率密度的提升，进而有助于铜粉末和/或铜合金粉末的熔化而得到熔池。
呈均匀热源分布的近红外光激光束有利于熔池中的铜粉末和/或铜合金粉末均匀得到热量。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第三种可能的示例中，上述近红外光激光束形成的斑点和蓝光激光束形成的斑点均为圆形，且近红外光激光束形成的斑点的直径≥蓝光激光束形成的斑点的直径。
可选地，近红外光激光束形成的斑点的直径为2.0～3.0mm。
可选地，蓝光激光束形成的斑点的直径为1.5～2.0mm。
在上述示例中，斑点直径较小的蓝光激光束有助于其功率密度的提升。斑点直径较大的近红外光激光束一方面能够保证熔池有较大的宽度，便于后续金属粉末进入熔池发生熔化，另一方面在铜粉末和/或铜合金粉末粉末进入熔池前，近红外光激光束能够对粉末进一步加热，甚至使其发生微熔，有利于铜粉末和/或铜合金粉末增材成形。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第四种可能的示例中，上述粉末的粒径为50～150μm。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第五种可能的示例中，上述增材在惰性气体保护下进行。
可选地，惰性气体包括氦气、氩气和氮气中的任意一种或多种。
可选地，惰性气体的流量为20～25L/min。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第六种可能的示例中，采用送粉器转移粉末。
可选地，送粉器转速为1～2r/min。
可选地，吹粉气体包括氦气、氩气和氮气中的任意一种或多种。
可选地，吹粉气体的流量为10～15L/min。
可选地，送粉方式为同轴送粉。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第七种可能的示例中，上述蓝光激光束和近红外光激光束的扫描速度为0.5～2m/min。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第八种可能的示例中，上述基板的材质为紫铜。
可选地，基板的厚度为1.0～5.0mm。
可选地，在增材前，除去基板的氧化层，并清洗基板，干燥。
可选地，清洗基板所用的清洗剂包括丙酮和乙醇。
结合第一方面，在本申请的第一方面的第九种可能的示例中，在增材前，对粉末进行烘干。
可选地，烘干在真空加热炉中进行。
可选地，烘干包括在100～120℃下保温300～360min。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请实施例1在铜基板上增材铜金属的成形图；
图2为本申请实施例1在铜基板上增材铜金属的截面金相图；
图3为本申请实施例2在铜基板上增材铜金属的成形图；
图4为本申请实施例2在铜基板上增材铜金属的截面金相图；
图5为本申请实施例3在铜基板上增材铜金属的成形图；
图6为本申请实施例3在铜基板上增材铜金属的截面金相图；
图7为本申请对比例1在铜基板上增材铜金属的成形图；
图8为本申请对比例2在铜基板上增材铜金属的成形图；
图9为本申请对比例3在铜基板上增材铜金属的成形图；
图10为本申请对比例4在铜基板上增材铜金属的成形图；
图11为本申请对比例4在铜基板上增材铜金属的截面金相图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下针对本申请实施例的一种铜及铜合金的增材制造方法进行具体说明：
本申请提供一种铜及铜合金的增材制造方法，其包括以下步骤：
S1、增材前的准备工作
调整蓝光激光束和近红外光激光束的位置，使蓝光激光束形成的斑点和近红外光激光束形成的斑点复合在同一位置，且蓝光激光束和近红外光激光束的焦点位置处于同一水平面上。
其中，蓝光激光束的功率为800～1000W，近红外光激光束的功率为3000～5000W。
在本申请的一种实施方式中，蓝光激光束的功率为900W，近红外光激光束的功率为4000W。在本申请的其他一些实施方式中，蓝光激光束的功率还可以为800W、850W、950W或1000W，近红外光激光束的功率为3000W、3200W、3500W、3700W、4300W、4500W、4800W或5000W。
可选地，蓝光激光束呈高斯热源分布，近红外光激光束呈均匀热源分布。
可选地，近红外光激光束形成的斑点和蓝光激光束形成的斑点均为圆形，且近红外光激光束形成的斑点的直径≥蓝光激光束形成的斑点的直径。
可选地，近红外光激光束形成的斑点的直径为2.0～3.0mm。
可选地，蓝光激光束形成的斑点的直径为1.5～2.0mm。
在本申请的一种实施方式中，近红外光激光束形成的斑点的直径为2.0mm，蓝光激光束形成的斑点的直径为1.5mm。在本申请的其他一些实施方式中，近红外光激光束形成的斑点的直径为2.5mm，蓝光激光束形成的斑点的直径为1.8mm；或可以是近红外光激光束形成的斑点的直径为3.0mm，蓝光激光束形成的斑点的直径为2mm；或可以是近红外光激光束形成的斑点的直径为2.0mm，蓝光激光束形成的斑点的直径为2.0mm；或可以是近红外光激光束形成的斑点的直径为2.5mm，蓝光激光束形成的斑点的直径为5mm。
准备基板，先采用物理方法或化学方法除去基板表面的氧化膜，然后分别依次采用丙酮和酒精洗涤基板，干燥。
其中，物理方法包括用砂轮处理基板的表面，除去氧化膜。
化学方法包括采用酸溶液浸泡或涂覆基板，除去氧化膜。
可选地，基板为厚度为1.0～5.0mm的紫铜板。
将增材粉末置于真空环境中烘干，然后置于送粉器中。
其中，增材粉末为铜粉末和/或铜合金粉末。
铜粉末包括紫铜粉末；铜合金粉末包括黄铜和/或青铜粉末。
可选地，增材粉末为紫铜粉末。
可选地，增材粉末的粒径为50～150μm。
可选地，增材粉末在真空加热烘干炉中烘干。
可选地，烘干包括在100～120℃下保温300～360min。
S2、调整位置和设置参数
设置激光扫描速率(蓝光激光束和近红外光激光束)为0.5～2m/min，蓝光激光束的功率为800～1000W，近红外光激光束的功率为3000～5000W，开关及光光时间，送粉器转速为1～2r/min，送粉器的吹粉气流量为10～15L/min，保护气流量为20～25L/min。
开始增材时，先打开蓝光激光束100～200ms后，再打开近红外光激光束。完成增材后，先关闭近红外光激光束50～100ms，再关闭蓝光激光束。且基板的厚度越大，蓝光激光提前作用和迟滞作用的时间越久。
铜及铜合金在固态的情况下对近红外光激光束的吸收率较低，而对蓝光激光束的吸收率较高。先打开蓝光激光束100～200ms，使得铜粉末和/或铜合金粉末吸收蓝光激光束发生熔化而产生熔池，再打开近红外光激光束，以弥补蓝光激光束的功率不足，继续作用于生产的熔池，扩大熔池，使得更多的铜粉末和/或铜合金粉末发生熔化。
另外，增材开始时，先打开蓝光激光束，后打开近红外光激光束，增材结束时，先关闭近红外光激光束，后关闭蓝光激光束，这样可以保证基体首先产生一个液态的熔池，近红外光激光束一旦和铜合金基体发生作用，是和液态的熔池作用而非和固态的金属作用，从而避免过多能量重新反射回激光增材光路系统，造成设备的损伤。
吹粉气和保护气均为惰性气体。
可选地，惰性气体包括氦气、氩气和氮气中的任意一种或多种。
可选地，送粉方式为同轴送粉。
S3、增材制造
将基板固定于增材工位，调整送粉器的粉末焦点和蓝光激光束、近红外光激光束的斑点在同一位置，且处于初始位置，打开保护气，运行程序，开始增材制造，增材粉末的送粉焦点按照预设路径移动，同时使蓝光激光束形成的光斑和近红外光激光束形成的光斑也按照预设路径移动，并在增材的任意时刻，粉末的转移位置、蓝光激光束形成的光斑和近红外光激光束形成的光斑在同一位置，至完成增材。
发明人发现激光送粉沉积增材通过光束来熔化粉末及部分基体来实现增材过程，目前在包括钛合金、镍基合金、钢等多种金属构件的增材制造过程中均有应用。然而，其在铜及铜合金增材中的应用却鲜有报道。这是因为铜合金对于传统近红外光(波长超过1000nm)的吸收率很低，大部分能量被反射耗散，同时铜的导热率较大，导致铜合金在激光束的作用下很难形成有效的熔池，影响增材过程。
和近红外光相比，蓝光激光(波长范围400～500nm)对于铜合金的吸收率有着明显的提升，可以在较低的激光功率下形成熔池。但是，蓝光激光功率较低，对于基体和铜粉末和/或铜合金粉末的熔化能力有限。铜合金一旦熔化形成熔池，对于近红外光的吸收率会有较大幅度的提升。
本申请的铜及铜合金的增材制造方法使用近红外光激光束和蓝光激光束组成的复合激光束对铜粉末和/或铜合金粉末处理实现增材制造，基于铜及铜合金在固态的情况下对近红外光激光束的吸收率较低，而对蓝光激光束的吸收率较高。通过先控制打开运行蓝光激光束，使得铜粉末和/或铜合金粉末吸收蓝光激光束发生熔化而产生熔池。呈高斯热源分布且斑点直径相对较小的蓝光激光束有助于其功率密度的提升，进而有助于铜粉末和/或铜合金粉末的熔化而得到熔池。另外，蓝光激光束可以对铜粉末和/或铜合金粉末进行初步的加热，有利于后续粉末的熔化。熔化的铜合金对于蓝光激光束和近红外光激光束的吸收率均相对较大，此时，再继续打开运行近红外光激光束，以弥补蓝光激光束的功率不足，蓝光激光束和近红外光激光束能够同时作用使得生成的熔池继续扩大，更多的铜粉末和/或铜合金粉末发生熔化。呈均匀热源分布且斑点直径相对较大的近红外光激光束一方面能够保证熔池有较大的宽度，便于后续金属粉末进入熔池发生熔化，另一方面在铜粉末和/或铜合金粉末进入熔池前，近红外光激光束能够对粉末进一步加热，甚至使其发生微熔，有利于铜粉末和/或铜合金粉末增材成形。
本申请的铜及铜合金的增材制造方法不需要对基本进行预热及保温，也不需要对铜及铜合金进行改性，使得铜及铜合金增材工艺变得更为便捷简单。同时，通过工艺的调控，能够得到成形好、缺陷少的铜及铜合金增材组织。
以下结合实施例对本申请的一种铜及铜合金的增材制造方法作进一步的详细描述。
实施例1
本申请实施例提供一种铜及铜合金的增材制造方法，其包括以下步骤：
S1、增材前的准备工作
调整蓝光激光束和近红外光激光束的位置，使蓝光激光束形成的斑点和近红外光激光束形成的斑点复合在同一位置，且蓝光激光束和近红外光激光束的焦点位置处于同一水平面上。其中，近红外光激光束形成的光斑为直径为2.5mm的圆形光斑，蓝光激光束形成的光斑为直径为1.5mm的圆形光斑。
准备3mm*100mm*100mm的紫铜基板，除去基板表面的氧化膜，依次采用丙酮和酒精洗涤基板，吹干，固定于增材工位。
准备球形且粒径为50～150μm的紫铜粉末，采用真空加热烘干炉在100℃下保温360min，置于送粉器中。
S2、设置参数
设置蓝光激光束的功率为1000W，近红外光激光束的功率为5000W，激光扫描速率(蓝光激光束和近红外光激光束)为0.8m/min，扫描长度为100mm，送粉器转速为1.5r/min，送粉器的吹粉气和保护气均为氩气，送粉器的吹粉气流量为10L/min，保护气流量为20L/min。
设置开始增材时，先打开蓝光激光束150ms后，再打开近红外光激光束；完成增材后，先关闭近红外光激光束100ms，再关闭蓝光激光束。
S3、增材制造
调整送粉器的粉末焦点和蓝光激光束、近红外光激光束的斑点在同一位置，且处于初始位置，打开保护气，运行程序，开始增材制造，增材粉末按照预设路径送至基板，同时使蓝光激光束形成的光斑和近红外光激光束形成的光斑也按照预设路径移动，并在增材的任意时刻，粉末的转移位置、蓝光激光束形成的光斑和近红外光激光束形成的光斑在同一位置，至完成增材。
实施例2
本申请实施例在实施例1的基础上，将蓝光激光束的功率改变为1000W，近红外光激光束的功率改变为3500W，其他工艺和参数不变。
实施例3
本申请实施例在实施例1的基础上，送粉器转速改变为3r/min，其他工艺和参数不变。
对比例1
本申请对比例在实施例1的基础上，将蓝光激光束的功率改变为1000W，近红外光激光束的功率改变为0W，其他工艺和参数不变。
对比例2
本申请对比例在实施例1的基础上，将蓝光激光束的功率改变为0W，近红外光激光束的功率改变为2000W，其他工艺和参数不变。
对比例3
本申请对比例在实施例1的基础上，将蓝光激光束的功率改变为0W，近红外光激光束的功率改变为5000W，其他工艺和参数不变。
对比例4
本申请对比例在实施例1的基础上，将蓝光激光束的功率改变为1000W，近红外光激光束的功率改变为2000W，其他工艺和参数不变。
试验例1
分别测得实施例1～3和对比例1～4在铜基板上增材铜金属的成形图，以及实施例1～3和对比例4在铜基板上增材铜金属的截面金相图，如图1～11所示。
请参阅图1和2，实施例1的铜及铜合金的增材制造方法在铜金属增材组织在基板上形成了光滑连续的成形，增材组织在基板上铺展较好，和母材结合好，没有明显的裂纹、气孔等缺陷产生。
请参阅图3和4，实施例2的铜及铜合金的增材制造方法形成的增材层变得光滑连续，沉积量增多，铺展性变好，内部有缺陷，但较少。
请参阅图5和6，与图1相比，实施例3的铜及铜合金的增材制造方法形成的沉积量有所增多，但铺展性变差，增材组织和基体结合较差，界面有裂纹产生，内部缺陷有明显的气孔生成。
请参阅图7，对比例1的铜及铜合金的增材制造方法仅在铜板表面形成一道熔池，没有粉末沉积到板材上。
请参阅图8，对比例2的铜及铜合金的增材制造方法的光束能量大部分反射掉，仅在铜板表面留下一道烧痕，有少许粉末粘到基板表面。
请参阅图9，对比例3的铜及铜合金的增材制造方法在铜板表面形成较深凹形的熔池，少量粉末不均匀的沉积到基板表面上。
请参阅图10～11，对比例4的铜及铜合金的增材制造方法在铜板表面形成不连续的增材层，此时铜粉末可以沉积到基板上，但沉积量较少，且增材层在基板上铺展较差，组织内有缺陷产生。
以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，所述铜及铜合金的增材制造方法包括：在基板上增材的过程中，使用蓝光激光束和近红外光激光束组成的复合激光束对铜粉末和/或铜合金粉末处理；
所述蓝光激光束的功率为800～1000W，所述近红外光激光束的功率为3000～5000W；
开始增材时，先打开所述蓝光激光束100～200ms后，再打开所述近红外光激光束；
完成增材后，先关闭所述近红外光激光束50～100ms，再关闭所述蓝光激光束；
所述蓝光激光束呈高斯热源分布，所述近红外光激光束呈均匀热源分布；
所述近红外光激光束形成的斑点和所述蓝光激光束形成的斑点均为圆形，且所述近红外光激光束形成的斑点的直径≥所述蓝光激光束形成的斑点的直径；
所述近红外光激光束形成的斑点的直径为2.0～3.0mm；
所述蓝光激光束形成的斑点的直径为1.5～2.0mm。
2.根据权利要求1所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，所述粉末的粒径为50～150μm。
3.根据权利要求1或2所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，所述增材在惰性气体保护下进行。
4.根据权利要求3所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，所述惰性气体包括氦气、氩气和氮气中的任意一种或多种。
5.根据权利要求3所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，所述惰性气体的流量为20～25L/min。
6.根据权利要求1或2所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，采用送粉器转移所述粉末。
7.根据权利要求6所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，所述送粉器转速为1～2r/min。
8.根据权利要求6所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，吹粉气体包括氦气、氩气和氮气中的任意一种或多种。
9.根据权利要求8所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，所述吹粉气体的流量为10～15L/min。
10.根据权利要求1或2所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，送粉方式为同轴送粉。
11.根据权利要求1或2所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，所述蓝光激光束和所述近红外光激光束的扫描速度为0.5～2m/min。
12.根据权利要求1或2所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，所述基板的材质为紫铜。
13.根据权利要求12所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，所述基板的厚度为1.0～5.0mm。
14.根据权利要求12所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，在增材前，除去所述基板的氧化层，并清洗所述基板，干燥。
15.根据权利要求12所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，清洗所述基板所用的清洗剂包括丙酮和乙醇。
16.根据权利要求1或2所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，在增材前，对所述粉末进行烘干。
17.根据权利要求16所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，烘干在真空加热炉中进行。
18.根据权利要求16所述的铜及铜合金的增材制造方法，其特征在于，烘干包括在100～120℃下保温300～360min。
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