CN115229175A - 一种钢颗粒增强锡基复合材料的3d打印成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢颗粒增强锡基复合材料的3D打印成形方法，该方法包括：将钢锡两种粉末用自动混粉机混合，混合时间为t1；将混合后粉末真空烘干，烘干时间t2，烘干温度为T1；将需要打印的零件的STL文件导入切片软件，设置的工艺参数，进行切片；将所述混合后的粉末放置3D打印机内，按切片程序打印成形。本发明提供了一种强度高、可靠性好的钢颗粒增强锡基复合材料的3D打印成形方法。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，涉及一种钢颗粒增强锡基复合材料的3D打印成形方法。
背景技术
锡作为一种低熔点金属，是一种不可或缺过载保护材料，在高温防爆和电路保护等领域有着广泛的应用。这种金属材料制成的熔断保险装置，其操作的灵敏度需要利用附加的弹簧等所形成的机械力来提高，进而要求金属自身还应具备一定的机械强度；然而，锡的强度较低，难以承受较高强度的载荷，为解决此问题，人们提出了通过合金化和颗粒增强的方式，提高锡合金自身强度，使其广泛应用于熔断器，保险丝等电路保护元器件上。
在现有技术中，通过少量其他金属合金化强化的锡合金强度并不是太高，仍无法满足部分高负载的应用场合；采用浸渍、铸造、沉积等传统方式制备的颗粒增强锡基复合材料存在成形效果较差，力学性能不稳定的缺点。
鉴于此，本发明提出一种钢颗粒增强纯锡复合材料的3D打印成形方法，该方法成形样品具有强度高，可靠性强的优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种强度较高、可靠性好的锡基复合材料的成形方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种钢颗粒增强纯锡复合材料的选区激光熔化成形方法包括以下步骤：
S1：将钢锡两种粉末混合，其中钢粉末是锡粉末质量的5%-15%；；
S2：将混合后粉末真空烘干；
S3：将需要打印的零件的STL文件导入切片软件，设置的工艺参数，进行切片；
S4：将所述烘干后的粉末放置3D打印机内，按切片程序打印成形。
优选地，步骤S1中：所述两种粉末用机械混粉机混合时间为4h。
优选地，步骤S2中，所述粉末真空烘干时间为4h；真空烘干温度为50℃。
优选地，步骤S4中：所设置的打印参数中，激光功率为80W，扫描速度为500mm/s，扫描间距为0.05mm，打印层厚为0.03mm。
优选地，步骤S3还包括：若零件底面的切线与基板平面夹角大于70°时，需添加网状支撑辅助打印。
优选地，钢粉末可以是45钢、20钢、不锈钢等碳钢或者其他合金钢。
优选地，所述钢粉末颗粒尺寸为1-15um。
优选地，所述锡粉末为99.99%的纯锡粉末。
优选地，所述锡粉末颗粒尺寸为15-55um。
优选地，所述真空烘干可用真空烘干箱等设备实现。
优选地，所述的切片软件为magics切片软件。
优选地，所述3D打印机为选区激光熔化打印机SLM-100。
与现有技术相比，本发明实施例具有如下有益效果：
本发明通过3D打印成形方法对混合粉末的逐层打印，可易于将钢颗粒均匀分布在锡基体中，解决了传统铸造方式无法将钢颗粒均匀分布在锡基体的问题，另外，选区激光熔化较高的能量密度输入会使钢锡粉末高速复合，加快了界面元素的扩散反应，提高了钢锡界面结合强度，使得钢颗粒复合增强下的纯锡材料，可极大地提高纯锡基体的强度，再结合锡低熔点的特性，实现了一种高强度低熔点的复合金属材料。
附图说明
图1为实施例1的钢颗粒增强纯锡复合材料的3D打印成形方法的流程示意图；
图2为实施例2的钢颗粒增强纯锡复合材料的3D打印成形方法的流程示意图；
图3为实施例13的钢颗粒增强纯锡复合材料的3D打印成形方法的流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
包括常见的碳化物、氮化物、石墨、钢颗粒等颗粒增强复合材料，都与锡熔体间的润湿性较差，因此，采用浸渍、铸造、沉积等传统颗粒增强复合材料的成形方式都较难地将钢颗粒均匀分布在锡基体中，在成形的样品中，钢颗粒团聚现象明显，导致复合材料的力学性能严重下降。为解决此问题，本发明提出了利用选区激光熔化这种3D打印成形方式来实现钢颗粒与锡基体的高强度结合。
根据相图，钢锡凝固过程中，在513℃时会发生化学反应形成少量的金属间化合物。通过实验和理论分析，发现通过选区激光熔化将钢锡混合粉末烧结成形的样品，不仅可以通过激光微熔池的搅拌作用使得钢颗粒在锡基体中均匀分布，同时，因选区激光熔化过程中，熔池内的局部高温，会使得钢锡产生的金属间化合物环绕分布在钢颗粒周围，提高了钢颗粒与锡溶液之间的浸润性，从而加强了钢锡界面的结合强度，进而减少了颗粒与基体因热膨胀系数差异导致的间隙，强化了复合材料整体的力学性能。以下结合附图对本发明的实施方式做进一步说明。
实施例1
实施例1提供了一种钢颗粒增强纯锡的3D打印成形方法。请参阅图1，图1为本发明钢颗粒增强纯锡的3D打印成形方法的一个实施例的流程示意图，如图1所示，钢颗粒增强纯锡的3D打印成形方法包括以下步骤：
S11：将5%质量分数的钢粉加入至锡粉中，将两种粉末混合。
这里的钢粉使用的是316不锈钢粉末，粒径尺寸为15-55um；锡粉为纯锡粉末，粒径为55um左右。加入钢粉末是锡粉末质量的5%。混粉方式可以采用手动或者自动混粉机。自动混粉机可选用3D打印专用混粉机。考虑到钢颗粒能较均匀地分布在锡粉中，需设置自动混粉机的转速为20转/min，混粉时长为4h。
S12：将混合后粉末真空烘干。
混合粉末的烘干可以通过3D打印机配套的真空烘干箱实现。考虑到打印过程中粉末中夹杂的空气、水分都会对成形的样品造成不利的影响，因此，在打印前需要对粉末进行真空烘干，除去粉末中夹杂的水分和空气，烘干时间为4h。同时考虑到锡的再结晶温度较低，为了保持锡粉的固有状态，烘干温度设置为40-50℃。
S13：将棒状模型的STL文件导入切片软件，设置工艺参数，进行切片。
具体地，将棒材的三维模型转为STL文件格式，导入切片软件中打开，所述的切片软件为magics；优选地，当棒材底面切线与基板平面夹角小于70°时，添加网状支撑辅助打印。优选地，支撑的打印参数如下：激光功率为60-80W，扫描速度为800-2000mm/s，扫描间距为0.05mm。优选地，零件的打印参数如下：激光功率为80W，扫描速度为500mm/s，扫描间距为0.05mm，打印层厚为0.03mm。
实际上，通过实验发现，在打印成形过程中，过大或过小的能量密度的输入都会使得成形效果较差。主要原因在于能量过高会导致加工温度高于锡的沸点，使得部分锡汽化未能及时排出，从而凝固后，在基体中形成大量气孔；同时由于能量过高会使得熔池内温度梯度过大，所产生的热残余应力大于了下层打印件之间的粘合力，导致打印件局部翘曲严重。而过低的能量密度会使得同一打印面中相邻熔池间的搭接率不够，从而在两道熔池间产生大量熔合间隙。考虑到其扫描速度较慢，熔池内熔体的流动性较大，因此需要在棒材底面切线与基板平面夹角小于70°时，添加网格支撑辅助打印，以保证成形后的形状。
S14：将钢锡混合粉末放置3D打印机内，按切片程序打印成形。
本实施例中，在锡粉中加入5%质量分数的钢粉末，经3D打印成形，使得钢锡混合粉末在逐层打印成形后，钢颗粒能在锡基体中较均匀的分布，并与基体结合良好。经过后续加工成拉伸试样后，测出其抗拉强度稳定分布在85mpa左右，延伸率在12%左右。对比纯锡，抗拉强度提高了466%。
实施例2
请参阅图2，图2为本发明的钢颗粒增强锡基复合材料的3D打印成形方法的另一个实施例的流程示意图。如图2所示，本实施例中钢颗粒增强纯锡的3D打印成形方法包括以下步骤：
S21：将10%质量分数的钢粉加入至锡粉中，将两种粉末混合。
这里的钢粉使用的是316不锈钢粉末，粒径尺寸为15-55um；锡粉为纯锡粉末，粒径为55um左右。加入钢粉末是锡粉末质量的10%。混粉方式可以采用手动或者自动混粉机。自动混粉机可选用3D打印专用混粉机。考虑到钢颗粒能较均匀地分布在锡粉中，需设置自动混粉机的转速为20转/min，混粉时长为4h。
S22：将混合后粉末真空烘干。
S23：将棒状模型的STL文件导入切片软件，设置的工艺参数，进行切片。
具体地，将棒材的三维模型转为STL文件格式，导入切片软件中打开，所述的切片软件为magics；优选地，当棒材底面切线与基板平面夹角小于70°时，添加网状支撑辅助打印。优选地，支撑的打印参数如下：激光功率为60-80W，扫描速度为800-2000mm/s，扫描间距为0.05mm。优选地，零件的打印参数如下：激光功率为80W，扫描速度为500mm/s，扫描间距为0.05mm，打印层厚为0.03mm。
S24：将钢锡混合粉末放置3D打印机内，按切片程序打印成形。
本实施例中，在锡粉中加入10%质量分数的钢粉末，经3D打印成形，使得钢锡混合粉末在逐层打印成形后，钢颗粒能在锡基体中较均匀的分布，并与基体结合良好。经过后续加工成拉伸试样后，测出其抗拉强度稳定分布在120mpa左右，延伸率在8%左右。对比纯锡，抗拉强度提高了700%。
实施例3
请参阅图3，图3为本发明的钢颗粒增强锡基复合材料的3D打印成形方法的另一个实施例的流程示意图。如图3所示，本实施例中钢颗粒增强纯锡的3D打印成形方法包括以下步骤：
S31：将15%质量分数的钢粉加入至锡粉中，将两种粉末混合。
这里的钢粉使用的是316不锈钢粉末，粒径尺寸为15-55um；锡粉为纯锡粉末，粒径为55um左右。加入钢粉末是锡粉末质量的15%。混粉方式可以采用手动或者自动混粉机。自动混粉机可选用3D打印专用混粉机。考虑到钢颗粒能较均匀地分布在锡粉中，需设置自动混粉机的转速为20转/min，混粉时长为4h。
S32：将混合后粉末真空烘干。
S33：将棒状模型的STL文件导入切片软件，设置的工艺参数，进行切片。
具体地，将棒材的三维模型转为STL文件格式，导入切片软件中打开，所述的切片软件为magics；优选地，当棒材底面切线与基板平面夹角小于70°时，添加网状支撑辅助打印。优选地，支撑的打印参数如下：激光功率为60-80W，扫描速度为800-2000mm/s，扫描间距为0.05mm。优选地，零件的打印参数如下：激光功率为60W，扫描速度为500mm/s，扫描间距为0.05mm，打印层厚为0.03mm。
实际上，通过实验发现，钢含量的增大会导致成形窗口的减小，主要原因在于钢含量的增多会加剧由钢锡热膨胀系数差异引起的变形残余应力，加上熔池中较大的温度梯度引起的热残余应力，较高能量输入会使得零件在打印过程中翘曲严重。考虑到其扫描速度较慢，熔池内熔体的流动性较大，因此需要在棒材底面切线与基板平面夹角小于70°时，添加网格支撑辅助打印，以保证成形后的形状。
S34：将钢锡混合粉末放置3D打印机内，按切片程序打印成形。
本实施例中，在锡粉中加入15%质量分数的钢粉末，经3D打印成形，使得钢锡混合粉末在逐层打印成形后，钢颗粒能在锡基体中较均匀的分布，但有少量的团聚现象。经过后续加工成拉伸试样后，测出其抗拉强度分布在120-150Mpa之间。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种钢颗粒增强锡基复合材料的3D打印成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将钢锡两种粉末混合，然后真空烘干；
S2：将烘干后的粉末放置3D打印机内，按所需打印的零件的打印参数打印成形。
2.根据权利要求1所述的钢颗粒增强锡基复合材料的3D打印成形方法，其特征在于，步骤S1中钢粉末为45钢、20钢或不锈钢，钢粉末颗粒尺寸为1-15um。
3.根据权利要求1所述的钢颗粒增强锡基复合材料的3D打印成形方法，其特征在于，步骤S1中锡粉末为99.99%的纯锡粉末，锡粉末颗粒尺寸为15-55um。
4.根据权利要求1所述的钢颗粒增强锡基复合材料的3D打印成形方法，其特征在于，所述混合是采用机械混粉机混合，混合时间为4h。
5.根据权利要求1所述的钢颗粒增强锡基复合材料的3D打印成形方法，其特征在于，步骤S2中真空烘干的时间为4h；真空烘干的温度为50℃。
6.根据权利要求1所述的钢颗粒增强锡基复合材料的3D打印成形方法，其特征在于，步骤S2中3D打印机的激光功率为80W，扫描速度为500mm/s，扫描间距为0.05mm，打印层厚为0.03mm。
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