CN117696918A - 激光复合增材制造铜钢异种金属的方法及应用 - Google Patents

激光复合增材制造铜钢异种金属的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光复合增材制造铜钢异种金属的方法及应用，所述方法包括：采用激光粉床熔融制备铜合金并作为基材；采用激光‑感应复合熔覆，在基材表面制备原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层，以及在原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层表面制备不锈钢，形成铜合金‑铜基偏晶合金过渡层‑不锈钢的结构。本发明通过采用激光粉床熔融与激光‑感应复合熔覆技术相结合，并将铜基偏晶合金作为铜合金与不锈钢之间的过渡层，解决了铜‑钢异种金属连接界面极易产生裂纹、疏松和气孔等缺陷的问题，实现了铜钢异种金属的良好熔合。

Description

激光复合增材制造铜钢异种金属的方法及应用
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种激光复合增材制造铜钢异种金属的方法及应用。
背景技术
铜合金由于其优异的导电、导热及耐腐蚀性能，常被应用于燃烧室构件的制造。但铜合金相对较低的强度、硬度和较差的耐磨损性能使其在应用上受限。同时，不锈钢虽然具有较高的强度，但其导电、导热性能较差。而铜/钢异种金属相结合，可一并发挥两种材料的优势，满足性能上的复合需求。火箭发动机内衬构件在高温高压下服役，采用铜/钢异种金属结构将为合适选择。
此类异种金属构件的传统制造工艺为钎焊成形，存在使用温度低与接头强度低等问题，特别是针对内流道钎焊时，在毛细力的作用下，常会出现内流道堵塞问题，使得成品率低下，同时，钎焊工艺难以满足复杂构件一次成形的需求。目前，国内外已采用增材制造的方式打印出燃烧室内衬构件，其逐层堆积的制造技术在制造大尺寸、结构复杂的构件方面具备优势，如激光粉床熔融(LPBF)和激光-感应复合熔覆(LIHC)制造技术等。
不过，在铜合金基体上使用增材制造技术成形高强不锈钢存在成形难、界面特性难以控制等难题。异种金属间相互链接虽可综合异种金属的优势性能，但若热物理性能差异较大，将导致异种金属间产生熔焊缺陷。例如，铜在铁中固溶度较小，室温时钢中含铜量超过0.6％时，铜便会呈过饱和状态，其与钢连接界面易开裂。
激光粉床熔融(LPBF)成形技术是近年来发展十分迅速的一种3D打印技术，主要是利用金属粉末在激光束热作用下完全熔化、经冷却凝固而成形三维复杂零件。因此，采用LPBF技术能实现形状非常复杂铜合金构件的一体化高性能成形，解决复杂形状铜合金构件常规熔铸法制备难的现状。激光-感应复合熔覆(LIHC)技术是将高频感应与激光熔覆技术相复合的新型熔覆技术。激光-感应复合熔覆可实现大尺寸、复杂结构构件的制造，同时高频感应作为热源使得熔覆过程中的熔池温度梯度降低、熔覆层裂纹减少。因此，将LPBF与LIHC技术进行时空耦合，实现铜钢异种金属一体化激光复合增材制造，同时采用铜基偏晶合金作为铜合金与不锈钢之间的过渡层，解决铜与钢之间热物性差异大以及不能完全混熔导致界面易开裂的难题，国内外未见文献报道。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种激光复合增材制造铜钢异种金属的方法及应用，采用铜基偏晶合金作为铜合金与不锈钢之间的过渡层，解决了铜-钢异种金属连接界面极易产生裂纹、疏松和气孔等缺陷的问题，实现了铜钢异种金属的良好熔合。该激光复合增材制造铜钢异种金属在高速轨道交通、电子、航空航天领域具有广阔应用前景。
本发明的第一个目的在于提供一种激光复合增材制造铜钢异种金属的方法。
本发明的第二个目的在于提供一种激光复合增材制造铜钢异种金属的应用。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种激光复合增材制造铜钢异种金属的方法，所述方法包括：
采用激光粉床熔融制备铜合金并作为基材；
采用激光-感应复合熔覆，在基材表面制备原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层，以及在原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层表面制备不锈钢，形成铜合金-铜基偏晶合金过渡层-不锈钢结构的铜钢异种金属；
其中，所述原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层包括多道依次堆叠的熔覆层，每道熔覆层均是富铁相弥散分布在富铜基体内的异质结构，所述异质结构包括原位纳米级富铁颗粒、原位纳米级金属间化合物Cr12Fe36Mo10以及原位纳米级非晶氧化物CrO3，所述原位纳米级富铁颗粒弥散分布在富铜基体的晶粒内，所述原位纳米级金属间化合物Cr12Fe36Mo10与原位纳米级非晶氧化物CrO3分布在富铜基体晶粒的晶界处。
进一步的，所述原位纳米级富铁颗粒的尺寸为60～80nm，所述原位纳米级金属间化合物Cr12Fe36Mo10的尺寸为20～50nm，所述原位纳米级非晶氧化物CrO3的尺寸为30～60nm。
进一步的，所述富铁相由富铁晶粒构成，所述富铁晶粒的尺寸为8～15μm；所述富铜基体由富铜晶粒构成，所述富铜晶粒的尺寸为1～5μm。
进一步的，所述采用激光-感应复合熔覆，在基材表面制备原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层，包括：
S41：将铜基偏晶合金粉末放置于自动送粉器内，其化学成分为：Fe15～25.5wt.％、Cr5～7.3wt.％、Ni2.5～3.5wt.％、Si0.1～0.5wt.％、Mo4～10wt.％、余量为Cu；
S42：调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在500～900℃；
S43：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内以实现激光热源与感应加热源的耦合，采用氧气作为保护气体，根据分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，在基材上制备得到纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层；
S44：当激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将激光-感应复合熔覆增材制造加工头上升当前层的高度，并重复步骤S43～S44，直到满足纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层的厚度要求。
进一步的，保护气体还包括氩气，控制氧气含量为体积分数1～10％，其余为氩气。
进一步的，所述在原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层表面制备不锈钢，包括：
S51：将不锈钢粉末放置于自动送粉器内，其化学成分为：C0.05wt.％～0.08wt.％、Cr14wt.％～15wt.％、Ni5wt.％～6wt.％、Mo0.8wt.％～1.0wt.％、V0.15wt.％～0.25wt.％、Nb0.08wt.％～0.15wt.％、HfO21wt.％～3wt.％、余量为Fe；
S52：调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在600～800℃；
S53：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内以实现激光热源与感应加热源的耦合，根据分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，在原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层表面制备三维实体的不锈钢；
S54：当激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将激光-感应复合熔覆增材制造加工头上升当前层的高度，并重复步骤S53～S54，直到满足不锈钢的厚度要求。
进一步的，激光-感应复合熔覆的工艺参数为：激光功率为16～20kw，激光扫描速度为260～300m/min，光斑直径为4～6mm，送粉量为500g/min～800g/min，感应加热功率160～200kW，粉末喷射角45～53°，搭接率40～60％，单层厚度为0.1～0.8mm。
进一步的，所述采用激光粉床熔融制备铜合金，包括：
根据分层切片轮廓信息生成激光粉床熔融成形二维扫描轨迹；
将铜合金成形粉末放入激光粉床熔融成形室的装料斗内，并将激光粉床熔融成形室抽成真空后充入氩气，将黄铜基板加热到设定温度；根据生成的二维扫描轨迹，逐层堆积成三维实体的铜合金；其中，铜合金成形粉末化学成分为Cr0.4wt.％～0.7wt.％、Ni1.7wt.％～1.9wt.％、Mo0.3wt.％～0.6wt.％、Nb0.25wt.％～0.58wt.％、CNTs0.5wt.％～3.0wt.％、其余为Cu。
进一步的，激光粉床熔融的工艺参数为：激光功率为150～250W，激光扫描速度为1400～1600mm/s，分层切片厚度为70～90um，搭接率为40～60％。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种激光复合增材制造铜钢异种金属的应用，基于上述的方法制备的激光复合增材制造铜钢异种金属在高速轨道交通、电子、航空航天领域的应用。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
本发明提供的一种激光复合增材制造铜钢异种金属的方法及应用，通过采用激光粉床熔融制备铜合金并作为基材；采用激光-感应复合熔覆，在基材表面制备原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层，以及在原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层表面制备不锈钢，形成铜合金-铜基偏晶合金过渡层-不锈钢结构的铜钢异种金属；其中，所述原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层包括多道依次堆叠的熔覆层，每道熔覆层均是富铁相弥散分布在富铜基体内的异质结构，所述异质结构包括原位纳米级富铁颗粒、原位纳米级金属间化合物Cr12Fe36Mo10以及原位纳米级非晶氧化物CrO3，所述原位纳米级富铁颗粒弥散分布在富铜基体的晶粒内，所述原位纳米级金属间化合物Cr12Fe36Mo10与原位纳米级非晶氧化物CrO3分布在富铜基体晶粒的晶界处。采用激光粉床熔融与激光-感应复合熔覆技术相结合实现了大尺寸、结构复杂构件的增材制造，并创新性的提出铜合金-铜基偏晶合金过渡层-不锈钢异种金属增材制造，通过采用原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层避免了铜合金与不锈钢直接连接导致的界面裂纹、疏松和气孔等缺陷的产生；并且由于原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层中的原位纳米级富铁颗粒弥散分布在富铜基体的晶粒内，所述原位纳米级金属间化合物Cr12Fe36Mo10与原位纳米级非晶氧化物CrO3分布在富铜基体晶粒的晶界处，增强了铜基偏晶合金的高温热稳定性与耐烧蚀性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解，描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例1：
本实施例中用到的各金属粉末如下：
铜合金成形粉末的化学成分为：Cr0.4wt.％、Ni1.7wt.％、Mo0.3wt.％、Nb0.25wt.％、CNTs0.5wt.％、其余为Cu；
铜基偏晶合金粉末的化学成分为：Fe15wt.％、Cr5wt.％、Ni2.5wt.％、Si0.1wt.％、Mo4wt.％、余量为Cu；
不锈钢粉末的化学成分为：C0.05wt.％、Cr14wt.％、Ni5wt.％、Mo0.8wt.％、V0.15wt.％、Nb0.08wt.％、HfO21wt.％、余量为Fe。
本实施例提供的激光复合增材制造铜钢异种金属的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、采用激光粉床熔融制备铜合金。
进一步的，步骤S1具体包括：
S11：根据CAD模型分层切片轮廓信息生成激光选区熔化成形二维扫描轨迹；
S12：将铜合金成形粉末放入激光选区熔化成形室的装料斗内；将激光选区熔化成形室抽成真空，并充入氟气，将表面经过除锈与喷砂处理的黄铜基板加热到400℃；根据CAD模型分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，逐层堆积成三维实体的铜合金；
S13：将激光选区熔化成形铜合金作为基板进行打磨，在无水乙醇中超声清洗15分钟后干燥，为后续激光-感应复合熔覆做准备。
其中，步骤S12中采用的工艺参数为：激光功率为150W，激光扫描速度为1400mm/s，分层切片厚度为70um，搭接率为40％。
步骤S2、采用激光-感应复合熔覆，在基材表面制备原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层。
进一步的，步骤S2具体包括：
S21：将铜基偏晶合金及不锈钢粉末作为激光-感应复合熔覆增材制造的成形粉末，铜合金作为基材，将所述粉末放置于自动送粉器内，调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在550℃；
S22：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，使用氧气作为保护气，然后根据CAD模型分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，逐层堆积得到纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层；
S23：当激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将激光-感应复合熔覆增材制造加工头上升一层的高度，重复步骤S22～S23，直到满足铜基偏晶合金过渡层高度要求。
其中，步骤S22中采用的工艺参数为：激光功率为16kw，激光扫描速度为260m/min，光斑直径为4mm，送粉量为500g/min，感应加热功率160kW，粉末喷射角45°，搭接率40％，单层厚度为0.01mm。
其中，步骤S22中也可以使用氧气与氩气的混合气体作为保护气，控制氧气含量为体积分数1％，其余为氩气。
步骤S3、采用激光-感应复合熔覆，在原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层表面制备不锈钢，形成铜合金-铜基偏晶合金过渡层-不锈钢的结构。
进一步的，步骤S3具体包括：
S31：将不锈钢粉末作为激光-感应复合熔覆增材制造的成形粉末，铜基偏晶合金层作为增材表面，将所述粉末放置于自动送粉器内，调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在600℃；
S32：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据CAD模型分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，逐层堆积成三维实体的不锈钢；
S33：当激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将激光-感应复合熔覆增材制造加工头上升一层的高度，重复步骤S32～S33，直到满足不锈钢高度要求。
本实施例中，步骤S32中采用的工艺参数与步骤S22相同，下述所有实施例亦如此。
本实施例所制备的铜钢异种金属构件拉伸强度、屈服强度分别为239.2MPa、186.5MPa，相比传统钎焊工艺制造所得铜钢异种金属构件的约200MPa、150MPa提升19.6％、24.3％；抗烧蚀温度可达1050℃，相比传统钎焊工艺制造所得铜钢异种金属构件的约900℃提升16.7％。
实施例2：
本实施例中用到的各金属粉末如下：
铜合金成形粉末的化学成分为：Cr0.5wt.％、Ni1.8wt.％、Mo0.4wt.％、Nb0.35wt.％、CNTs1.5wt.％、其余为Cu；
铜基偏晶合金粉末的化学成分为：Fe20wt.％、Cr6wt.％、Ni3wt.％、Si0.25wt.％、Mo7wt.％、余量为Cu；
不锈钢粉末的化学成分为：C0.06wt.％、Cr14.5wt.％、Ni5.5wt.％、Mo0.9wt.％、V0.20wt.％、Nb0.12wt.％、HfO22.0wt.％、余量为Fe。
本实施例提供的激光复合增材制造铜钢异种金属的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、采用激光粉床熔融制备铜合金。
进一步的，步骤S1具体包括：
S11：根据CAD模型分层切片轮廓信息生成激光选区熔化成形二维扫描轨迹；
S12：将铜合金成形粉末放入激光选区熔化成形室的装料斗内；将激光选区熔化成形室抽成真空，并充入氟气，将表面经过除锈与喷砂处理的黄铜基板加热到400℃；根据CAD模型分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，逐层堆积成三维实体的铜合金；
S13：将激光选区熔化成形铜合金作为基板进行打磨，在无水乙醇中超声清洗15分钟后干燥，为后续激光-感应复合熔覆做准备。
其中，步骤S12中采用的的工艺参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为1500mm/s，分层切片厚度为80um，搭接率为50％。
步骤S2、采用激光-感应复合熔覆，在基材表面制备原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层。
进一步的，步骤S2具体包括：
S21：将铜基偏晶合金及不锈钢粉末作为激光-感应复合熔覆增材制造的成形粉末，铜合金作为基材，将所述粉末放置于自动送粉器内，调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在650℃；
S22：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，使用氧气与氩气的混合气体作为保护气，然后根据CAD模型分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，逐层堆积得到纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层；
S23：当激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将激光-感应复合熔覆增材制造加工头上升一层的高度，重复步骤S22～S23，直到满足铜基偏晶合金过渡层高度要求。
其中，步骤S22中采用的工艺参数为：激光功率为18kw，激光扫描速度为280m/min，光斑直径为5mm，送粉量为650g/min，感应加热功率180kW，粉末喷射角49°，搭接率50％，单层厚度为0.35mm。
其中，步骤S22中也可以使用氧气与氩气的混合气体作为保护气，控制氧气含量为体积分数5.0％，其余为氩气。
步骤S3、采用激光-感应复合熔覆，在原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层表面制备不锈钢，形成铜合金-铜基偏晶合金过渡层-不锈钢的结构。
进一步的，步骤S3具体包括：
S31：将不锈钢粉末作为激光-感应复合熔覆增材制造的成形粉末，铜基偏晶合金层作为增材表面，将所述粉末放置于自动送粉器内，调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在700℃；
S32：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据CAD模型分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，逐层堆积成三维实体的不锈钢；
S33：当激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将激光-感应复合熔覆增材制造加工头上升一层的高度，重复步骤S32～S33，直到满足不锈钢高度要求。
本实施例所制备的铜钢异种金属构件拉伸强度、屈服强度分别为240.5MPa、189.2MPa，相比通过传统钎焊工艺制造所得铜钢异种金属构件的约200MPa、150MPa提升20.25％、26.13％；抗烧蚀温度可达1062℃，相比传统钎焊工艺制造所得铜钢异种金属构件的约900℃提升18％。
实施例3：
本实施例中用到的各金属粉末如下：
铜合金成形粉末的化学成分为：Cr0.7wt.％、Ni1.9wt.％、Mo0.6wt.％、Nb0.58wt.％、CNTs3.0wt.％、其余为Cu；
铜基偏晶合金粉末的化学成分为：Fe25.5wt.％、Cr7.3wt.％、Ni3.5wt.％、Si0.5wt.％、Mo10wt.％、余量为Cu；
不锈钢粉末的化学成分为：C0.08wt.％、Cr15wt.％、Ni6wt.％、Mo1.0wt.％、V0.25wt.％、Nb0.15wt.％、HfO23wt.％、余量为Fe。
本实施例提供的激光复合增材制造铜钢异种金属的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、采用激光粉床熔融制备铜合金。
进一步的，步骤S1具体包括：
S11：根据CAD模型分层切片轮廓信息生成激光选区熔化成形二维扫描轨迹；
S12：将铜合金成形粉末放入激光选区熔化成形室的装料斗内；将激光选区熔化成形室抽成真空，并充入氟气，将表面经过除锈与喷砂处理的黄铜基板加热到400℃；根据CAD模型分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，逐层堆积成三维实体的铜合金；
S13：将激光选区熔化成形铜合金作为基板进行打磨，在无水乙醇中超声清洗15分钟后干燥，为后续激光-感应复合熔覆做准备；
其中，步骤S12中采用的工艺参数为：激光功率为250W，激光扫描速度为1600mm/s，分层切片厚度为90um，搭接率为60％。
步骤S2、采用激光-感应复合熔覆，在基材表面制备原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层。
进一步的，步骤S2具体包括：
S21：将铜基偏晶合金及不锈钢粉末作为激光-感应复合熔覆增材制造的成形粉末，铜合金作为基材，将所述粉末放置于自动送粉器内，调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在700℃；
S22：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，使用氧气与氩气的混合气体作为保护气，然后根据CAD模型分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，逐层堆积得到纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层；
S23：当激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将激光-感应复合熔覆增材制造加工头上升一层的高度，重复步骤S22～S23，直到满足铜基偏晶合金过渡层高度要求。
其中，步骤S22中采用的工艺参数为：激光功率为20kw，激光扫描速度为300m/min，光斑直径为6mm，送粉量为800g/min，感应加热功率200kW，粉末喷射角53°，搭接率60％，单层厚度为0.7mm。
其中，步骤S22中也可以使用氧气与氩气的混合气体作为保护气，控制氧气含量为体积分数8.0％，其余为氩气。
步骤S3、采用激光-感应复合熔覆，在原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层表面制备不锈钢，形成铜合金-铜基偏晶合金过渡层-不锈钢的结构。
进一步的，步骤S3具体包括：
S31：将不锈钢粉末作为激光-感应复合熔覆增材制造的成形粉末，铜基偏晶合金层作为增材表面，将所述粉末放置于自动送粉器内，调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在800℃；
S32：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据CAD模型分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，逐层堆积成三维实体的不锈钢；
S33：当激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将激光-感应复合熔覆增材制造加工头上升一层的高度，重复步骤S32～S33，直到满足不锈钢高度要求。
本实施例所制备的铜钢异种金属构件拉伸强度、屈服强度分别为242.5MPa、191.4MPa，相比通过传统钎焊工艺制造所得铜钢异种金属构件的约200MPa、150MPa提升21.25％、27.6％；抗烧蚀温度可达1075℃，相比传统钎焊工艺制造所得铜钢异种金属构件的约900℃提升19.4％。
本发明提出了激光粉床熔融联合激光-感应复合熔覆两种增材制造工艺制造具有铜合金-铜基偏晶合金过渡层-不锈钢异种金属构件的方法。首先，采用激光粉床熔融工艺制备具有复杂结构的铜合金，然后采用激光-感应复合熔覆工艺制备原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层及不锈钢，形成高性能铜钢异种金属构件。本发明主要解决了铜钢异种金属连接界面极易产生裂纹、疏松和气孔等缺陷问题；以及传统工艺难以一次成形，且易导致构件内流道堵塞的问题，实现了铜钢异种金属的良好熔合。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光复合增材制造铜钢异种金属的方法，其特征在于，所述方法包括：
采用激光粉床熔融制备铜合金并作为基材；
采用激光-感应复合熔覆，在基材表面制备原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层，以及在原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层表面制备不锈钢，形成铜合金-铜基偏晶合金过渡层-不锈钢结构的铜钢异种金属；
其中，所述原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层包括多道依次堆叠的熔覆层，每道熔覆层均是富铁相弥散分布在富铜基体内的异质结构，所述异质结构包括原位纳米级富铁颗粒、原位纳米级金属间化合物Cr12Fe36Mo10以及原位纳米级非晶氧化物CrO3，所述原位纳米级富铁颗粒弥散分布在富铜基体的晶粒内，所述原位纳米级金属间化合物Cr12Fe36Mo10与原位纳米级非晶氧化物CrO3分布在富铜基体晶粒的晶界处。
2.根据权利要求1所述的异构多元原位纳米颗粒增强铜基偏晶合金，其特征在于，所述原位纳米级富铁颗粒的尺寸为60～80nm，所述原位纳米级金属间化合物Cr12Fe36Mo10的尺寸为20～50nm，所述原位纳米级非晶氧化物CrO3的尺寸为30～60nm。
3.根据权利要求1所述的异构多元原位纳米颗粒增强铜基偏晶合金，其特征在于，所述富铁相由富铁晶粒构成，所述富铁晶粒的尺寸为8～15μm；所述富铜基体由富铜晶粒构成，所述富铜晶粒的尺寸为1～5μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用激光-感应复合熔覆，在基材表面制备原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层，包括：
S41：将铜基偏晶合金粉末放置于自动送粉器内，其化学成分为：Fe15～25.5wt.％、Cr5～7.3wt.％、Ni2.5～3.5wt.％、Si0.1～0.5wt.％、Mo4～10wt.％、余量为Cu；
S42：调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在500～900℃；
S43：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内以实现激光热源与感应加热源的耦合，采用氧气作为保护气体，根据分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，在基材上制备得到纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层；
S44：当激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将激光-感应复合熔覆增材制造加工头上升当前层的高度，并重复步骤S43～S44，直到满足纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层的厚度要求。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，保护气体还包括氩气，控制氧气含量为体积分数1～10％，其余为氩气。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层表面制备不锈钢，包括：
S51：将不锈钢粉末放置于自动送粉器内，其化学成分为：C0.05wt.％～0.08wt.％、Cr14wt.％～15wt.％、Ni5wt.％～6wt.％、Mo0.8wt.％～1.0wt.％、V0.15wt.％～0.25wt.％、Nb0.08wt.％～0.15wt.％、HfO21wt.％～3wt.％、余量为Fe；
S52：调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在600～800℃；
S53：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内以实现激光热源与感应加热源的耦合，根据分层切片轮廓信息生成的成形轨迹，在原位纳米非晶氧化物增强铜基偏晶合金过渡层表面制备三维实体的不锈钢；
S54：当激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将激光-感应复合熔覆增材制造加工头上升当前层的高度，并重复步骤S53～S54，直到满足不锈钢的厚度要求。
7.根据权利要求4或6任一项所述的方法，其特征在于，激光-感应复合熔覆的工艺参数为：激光功率为16～20kw，激光扫描速度为260～300m/min，光斑直径为4～6mm，送粉量为500g/min～800g/min，感应加热功率160～200kW，粉末喷射角45～53°，搭接率40～60％，单层厚度为0.1～0.8mm。
8.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述采用激光粉床熔融制备铜合金，包括：
根据分层切片轮廓信息生成激光粉床熔融成形二维扫描轨迹；
将铜合金成形粉末放入激光粉床熔融成形室的装料斗内，并将激光粉床熔融成形室抽成真空后充入氩气，将黄铜基板加热到设定温度；根据生成的二维扫描轨迹，逐层堆积成三维实体的铜合金；其中，铜合金成形粉末化学成分为Cr0.4wt.％～0.7wt.％、Ni1.7wt.％～1.9wt.％、Mo0.3wt.％～0.6wt.％、Nb0.25wt.％～0.58wt.％、CNTs0.5wt.％～3.0wt.％、其余为Cu。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，激光粉床熔融的工艺参数为：激光功率为150～250W，激光扫描速度为1400～1600mm/s，分层切片厚度为70～90um，搭接率为40～60％。
10.一种激光复合增材制造铜钢异种金属的应用，其特征在于，基于权利要求1～9任一项所述的方法制备的铜钢异种金属在高速轨道交通、电子、航空航天领域的应用。
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