CN114472923B - 一种铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明一种铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺，包括S1、晶格单胞设计：晶格单胞由A环、B环构成；S2、晶格整体设计：以一种板状热交换零件为示例，保留几何夹层结构的外形尺寸及其两侧壁板，将内部替换为晶格单胞填充；S3、选用材料及设定工艺参数；S4、摆放方案设计：采用竖直摆放，将采用晶格整体结构的板状热交换零件立于基板上，保持晶格单胞上的贯穿孔为竖直状态；S5、激光选区熔化成形；S6、退火处理；S7、后处理。本发明设计了一种晶格结构，相比目前舰船零部件及热交换器上的传统几何夹层结构减重大于40％，热交换性能提升大于25％,同时解决了铜合金激光选区熔化成形难题，成形制件缺陷得到控制，致密度高，力学性能优于传统工艺，突破了铜合金晶格结构制造工艺。

Description

一种铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺
技术领域
本发明涉及激光选区熔化成形领域，具体涉及一种铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺。
背景技术
铜合金耐腐蚀性好，非常适用于长期接触海水的舰船零部件，同时具备了良好的导热性能，广泛应用于冷凝管、热交换器。现有的舰船零部件及热交换器零件受制于传统铸、锻工艺的限制，采用实体结构或简单几何夹层结构，这类结构具有比表面积小、热交换效果差、重量大、材料浪费的明显缺点。而晶格结构不仅可以实现更好热交换性能，还具有轻量化优势，减重的同时也更有效的利用了材料。晶格结构有着单元微小整体复杂的特点，传统铸、锻工艺无法制造，激光选区熔化成形技术是其制造生产的唯一途径。然而，铜合金激光选区熔化成形一直是行业难题，此类材料具有高的激光反射率，成形过程中能量吸收少，内部缺陷尺度大数量多，力学性能差，难以实现工程化应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺，包括以下步骤：
S1、晶格单胞设计：
晶格单胞由A环、B环构成，A环两侧自上而下有方形贯穿孔，中心具有中心柱结构，柱上有圆形贯穿孔，而B环外形与A环一致，只是两侧开孔为圆形，两环中心柱共用重合，二者构成垂直关系，从而组合成为晶格单胞；
S2、晶格整体设计：以一种板状热交换零件为示例，保留几何夹层结构的外形尺寸及其两侧壁板，将内部替换为晶格单胞填充；
S3、选用材料及设定工艺参数：
材料：粒度范围15-45um或15-53um的铜合金粉末；
工艺参数：铺粉层厚40-60um，激光功率150-350W，激光扫描速度500-1000mm/s，扫描线间距0.06-0.09mm，条带宽度5-15mm；
S4、摆放方案设计：采用竖直摆放，将采用晶格整体结构的板状热交换零件立于基板上，保持晶格单胞上的贯穿孔为竖直状态；
S5、激光选区熔化成形：将足量铜合金粉末材料及厚度在10～60mm的不锈钢基板装载入激光选区熔化设备中，完成零件模型、摆放方案、工艺参数等数据的输入，保护气氛构建后，进行激光选区熔化成形；
S6、退火处理：将连带基板的零件放入热处理炉，随炉升温，在500～800℃下保温1～3h，氩气冷却至室温后出炉；
S7、后处理。
进一步的，中心柱起核心支撑作用，四周环形占有了单胞尺寸的三维空间区域；环形四周外侧及中心柱上下的方形面是结合面，大量的单胞可通过这些结合面互相连接构成更大尺寸的整体结构；晶格单胞结构可放大、缩小来进行应用，尺寸不作限定；各个孔可以是方、圆或任何其他形状,孔的大小也可调整。
进一步的，所述晶格单胞间通过结合面形成互相连接，在其前后左右上下6个方向均可构成连接；单层由多个晶格单胞阵列而成，多层进行叠加，中心进行结构加强。
进一步的，所述后处理通过线切割或锯切方式将零件从基板上取下，进行表面喷砂，采用120目或更细的砂以避免晶格孔洞里砂残留的问题，或采用电化学抛光来处理表面，获得更光洁的零件表面。
与现有技术相比，本发明铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺的有益效果是：设计了一种晶格结构，相比目前舰船零部件及热交换器上的传统几何夹层结构减重大于40％，热交换性能提升大于25％,同时本发明解决了铜合金激光选区熔化成形难题，成形制件缺陷得到控制，致密度高，力学性能优于传统工艺，突破了铜合金晶格结构制造工艺，创新性显著。
附图说明
图1是晶格单胞的立体结构示意图。
图2是晶格单胞的俯视结构示意图。
图3是A环的立体结构示意图。
图4是A环的俯视结构示意图。
图5是B环的立体结构示意图。
图6是B环的俯视结构示意图。
图7是A环、B环的侧视结构示意图。
图8是传统几何夹层结构示意图。
图9是晶格单胞填充的晶格整体结构示意图。
图10是晶格单胞互相连接的示意图。
图11是摆放方案的示意图。
具体实施方式
一种铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺，包括以下步骤：
S1、晶格单胞设计：
晶格单胞由A环、B环构成，A环两侧自上而下有方形贯穿孔，中心具有中心柱结构100，柱上有圆形贯穿孔。而B环外形与A环一致，只是两侧开孔为圆形。两环中心柱共用重合，二者构成垂直关系，从而组合成为晶格单胞。
该晶格单胞的优点在于：
a.其中心柱起核心支撑作用，四周环形占有了单胞尺寸的三维空间区域，起到空间填充作用，整体结构稳固。
b.而环形四周外侧及中心柱上下的方形面则是其结合面200，大量的单胞可通过这些结合面互相连接构成更大尺寸的整体结构，使其具有极强的应用扩展性，可用于各种形状的零件。应当注意，该晶格单胞结构可放大、缩小来进行应用，尺寸不作限定。
c.A环、B环从侧面看完全一致，其两侧四条斜梁400与中心柱100的夹角300均为45°，该结构既保证了晶格单胞的激光选区熔化成形质量，又使其在同等材料下获得的填充空间最大，从而具有最佳的减重及换热效果。夹角角度可适当调整，但实践证明该角度最佳。
d.所有开孔都起到减重作用同时获得更大的表面积，这同样有利于换热效果提升。应当注意，各个孔可以是方、圆或任何其他形状,孔的大小也可调整，本发明图中结构仅为示例，而非限定。
S2、晶格整体设计：本发明以一种板状热交换零件为示例进行晶格整体设计。传统几何夹层结构由三角折叠结构作为夹层，层层堆叠构成，外形尺寸长宽均为150mm厚40mm。进行晶格整体设计时,保留几何夹层结构的外形尺寸及其两侧壁板，将内部替换为晶格单胞填充。晶格单胞采用5mm尺寸，晶格单胞间通过结合面形成互相连接,在其前后左右上下6个方向均可构成连接。单层由30乘30共900个晶格单胞阵列构成正方形，共8层进行叠加，中心添加与壁板等厚的结构加强板，从而完成晶格整体结构的设计。
该晶格整体设计使板状热交换结构相比原来的传统几何夹层结构减重大于40％，热交换性能提升大于25％。应当注意，本发明仅以板状热交换结构作为示例，而未限定只用于该零件，实际上，晶格结构通过尺寸大小调整及堆叠可应用于任意形状及尺寸的零件。
S3、选用材料及设定工艺参数：
材料：粒度范围15-45um或15-53um的BFe10-1-1牌号铜合金粉末。
工艺参数：铺粉层厚40-60um，激光功率150-350W，激光扫描速度500-1000mm/s，扫描线间距0.06-0.09mm，条带宽度5-15mm。选材BFe10-1-1牌号铜合金仅作为示例，本发明所述工艺同样适用于其他牌号的铜合金粉末。该工艺参数可使铜合金零件获得高致密组织，内部缺陷的数量和尺寸均大幅减少，相对致密度高，力学性能优于传统工艺制备的供应状态板料。
S4、摆放方案设计：由于设计晶格单胞时即考虑了摆放方向的影响，设计的贯穿孔均为竖直走向，因此采用竖直摆放，将采用晶格整体结构的板状热交换零件立于基板500上，保持晶格单胞上的贯穿孔为竖直状态，这样可使零件无需支撑即可成形，获得最佳质量。
S5、激光选区熔化成形：将足量BFe10-1-1铜合金粉末材料及厚度在10～60mm的不锈钢基板装载入激光选区熔化设备中，完成零件模型、摆放方案、工艺参数等数据的输入，保护气氛构建后，进行激光选区熔化成形。
S6、退火处理：将连带基板的零件放入热处理炉，随炉升温，在500～800℃下保温1～3h，氩气冷却至室温后出炉。退火后零件得到应力释放，稳定尺寸的同时也避免零件切取时的变形，同时获得较好的力学性能，而氩气冷却避免了铜合金的氧化。
S7、后处理：通过线切割或锯切等方式将零件从基板上取下，进行表面喷砂，采用120目或更细的砂以避免晶格孔洞里砂残留的问题。也可采用电化学抛光来处理表面，获得更光洁的零件表面。
本发明设计了一种性能优异减重效果突出的晶格结构，此外还突破了铜合金激光选区熔化成形缺陷尺度大数量多，力学性能差等行业难题。所成形的铜合金晶格结构减重超过40％，热交换性能提升大于25％，缺陷得到大幅控制，力学性能优于传统工艺。本发明创造性地实现了零件减重优化、热交换性能提升、铜合金激光选区熔化成形三大技术成果，创新性突出，并具有较高的工程应用价值，可推广应用于舰船、核电、航空航天、汽车、轨道交通等众多领域，制备出轻量化、高性能的热交换器、管道等各类零部件，社会效益和经济效益显著。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、晶格单胞设计：
晶格单胞由A环、B环构成，A环两侧自上而下有方形贯穿孔，中心具有中心柱结构，柱上有圆形贯穿孔，而B环外形与A环一致，只是两侧开孔为圆形，两环中心柱共用重合，二者构成垂直关系，从而组合成为晶格单胞；
S2、晶格整体设计：一种板状热交换零件，保留几何夹层结构的外形尺寸及其两侧壁板，将内部替换为晶格单胞填充；
S3、选用材料及设定工艺参数：
材料：粒度范围15-45um或15-53um的铜合金粉末；
工艺参数：铺粉层厚40-60um，激光功率150-350W，激光扫描速度500-1000mm/s，扫描线间距0.06-0.09mm，条带宽度5-15mm；
S4、摆放方案设计：采用竖直摆放，将采用晶格整体结构的板状热交换零件立于基板上，保持晶格单胞上的贯穿孔为竖直状态；
S5、激光选区熔化成形：将足量铜合金粉末材料及厚度在10～60mm的不锈钢基板装载入激光选区熔化设备中，完成零件模型、摆放方案、工艺参数数据的输入，保护气氛构建后，进行激光选区熔化成形；
S6、退火处理：将连带基板的零件放入热处理炉，随炉升温，在500～800℃下保温1～3h，氩气冷却至室温后出炉；
S7、后处理。
2.根据权利要求1所述的铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于：所述A环、B环从侧面看完全一致，其两侧四条斜梁与中心柱的夹角均为45°；中心柱起核心支撑作用，四周环形占有了单胞尺寸的三维空间区域；环形四周外侧及中心柱上下的方形面是结合面，大量的单胞可通过这些结合面互相连接构成更大尺寸的整体结构；晶格单胞结构可放大、缩小来进行应用，尺寸不作限定；各个孔是方、圆或任何其他形状。
3.根据权利要求1所述的铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于：所述晶格单胞间通过结合面形成互相连接，在其前后左右上下6个方向均可构成连接；单层由多个晶格单胞阵列而成，多层进行叠加，中心进行结构加强。
4.根据权利要求1所述的铜合金晶格结构激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于：所述后处理通过线切割或锯切方式将零件从基板上取下，进行表面喷砂，采用120目或更细的砂以避免晶格孔洞里砂残留的问题，或采用电化学抛光来处理表面，获得更光洁的零件表面。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109622958B (zh) * 2018-12-20 2020-06-02 华中科技大学 一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法
CN110014153A (zh) * 2019-04-24 2019-07-16 同济大学 一种利用3d打印制备周期性铝合金晶格结构的方法
EP4126420A1 (en) * 2020-03-25 2023-02-08 Encore Medical, L.P. dba DJO Surgical Joint implants having porous structures formed utilizing additive manufacturing and related systems and methods
CN111842897A (zh) * 2020-07-20 2020-10-30 航发优材(镇江)增材制造有限公司 一种激光选区熔化成形点阵结构的工艺方法
CN112643022B (zh) * 2020-12-09 2021-11-26 暨南大学 一种激光选区熔化成形铁基非晶增强铜基合金的铜基复合粉末
CN112848553B (zh) * 2021-01-21 2022-10-21 北京理工大学 一种加强单胞结构及其制备方法与应用、夹芯板
CN113523300A (zh) * 2021-06-24 2021-10-22 泽高新智造(广东)科技有限公司 一种激光3d打印钨铜合金异形构件的方法及其构件
CN113720193B (zh) * 2021-08-12 2022-06-07 西安交通大学 面向增材制造的肺泡仿生超级换热器结构及其制备方法

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