结合热处理过程的铜/钢双金属复合结构件及制备方法

1.本发明属于金属材料增材制造领域，具体涉及一种结合热处理过程的铜/钢双金属复合结构件，还涉及该种结合热处理过程的铜/钢双金属复合结构件的制备方法。


背景技术：

2.随着工业制造技术的快速发展，单一材料的结构已然无法满足工程领域的服役要求，各种零件结构逐步向梯度化、多功能化方向发展。因此，铜/钢异种金属复合件的发展便成为一种趋势，不仅可以使两种材料的优势得以充分发挥，也可以降低金属铜的使用量，从而降低企业的生产制造成本。但大多数铜/钢复合件的制备都是以板材对接焊为主，无法实现复杂零部件的一次成型；而电弧增材制造技术区别于传统的加工制造技术，它是以电弧作为热源，根据路径设计逐层沉积以达到规定形状的制造技术。由于其成型件具有致密度高、冶金结合性良好，且沉积效率和材料利用率较高，因此，该技术被广泛应用于航空、航天、化工等领域中复杂零件的制备。但成型件的综合力学性能经常达不到服役要求，主要原因主要有以下两个方面。第一，电弧增材过程中热量积累严重，导致晶粒粗化严重；第二，由于铜/钢异种材料的热物理性质差异较大，使得成型件在之后的冷却过程中内部具有较大的残余应力，影响结构件的强度。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种结合热处理过程的铜/钢双金属复合结构件的制备方法，该方法提高了成型件的表面硬度，降低了铜钢界面结合区域残余应力，提高了成型件的综合力学性能，提高了产品的服役可靠性。
4.本发明的第二个目的是提供一种结合热处理过程的铜/钢双金属复合结构件。
5.本发明所采用的技术方案是，结合热处理过程的铜/钢双金属复合结构件的制备方法，具体操作步骤为：
6.步骤1：选择低碳钢作为增材制备的基板材料，并采用机械清理的方法去除表面杂质；
7.步骤2：选择型号为er50
‑
6、h08mna或er49
‑
1的碳钢焊丝作为钢侧用原料；选择型号为s201、hs211或hs216的焊丝作为用铜侧用原料；选择自制cu
‑
ni药芯焊丝作为过渡层用原料；按照先钢侧，然后过渡层，最后铜侧的顺序，采用层间往返式增材工艺进行堆积，得到成型件；
8.步骤3：采用机械打磨和线切割结合的方式，对步骤2得到的成型件表面进行处理；
9.步骤4：对步骤3中所制备的成型件进行热处理。
10.本发明的特征还在于，
11.步骤1中，低碳钢的型号为q345b、q275或q235。
12.步骤2中，cu
‑
ni药芯焊丝包括有焊皮及药芯，焊皮为宽度7mm的t2纯铜带，药芯成分为100％的镍粉，镍粉的颗粒度为100
‑
200目。
13.步骤2中，钢侧用焊丝的规格为φ1.2
‑
1.6mm；铜侧用焊丝的规格为φ1.2
‑
1.6mm；过渡层用焊丝的规格为φ1.2
‑
1.6mm。
14.步骤2中，增材工艺具体参数为：
①
钢侧：钢侧的堆积层数为15～20层；具体的工艺参数为：焊接电流为175～205a，焊接电压为20～25v，焊丝干伸长度10～15mm，焊接速度为5～8mm/s；保护气体为：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15～20l/min；
②
过渡层：过渡层金属堆积层数为1～2层，具体的工艺参数为：焊接电流为210～235a，电压为22～26v，焊接速度4～6mm/s，焊丝干伸长度10～15mm；
③
铜侧：铜侧的堆积层数为15～20层；具体的工艺参数为：焊接电流为220～245a，焊接电压为23～27v，焊丝干伸长度10～15mm，焊接速度4～6mm/s；
15.其中，过渡层及铜侧选用的保护气体均为体积分数99.99％的纯氩气，气体流量15～20l/min。
16.步骤2中，为提高结构件的成型质量，增材过程中设置一定的摆弧参数。其中，焊接过程中摆动幅度均为3～3.6mm，摆弧频率均为4～4.5hz。
17.步骤3中，成型件表面进行处理后的粗糙度为1.6
‑
1.8。
18.步骤4中，对成型件的热处理工艺具体为：800～850℃淬火，保温30～60min，水冷；然后进行400～450℃回火，保温60～80min后，随炉冷却。
19.本发明所采用的第二种技术方案是，结合热处理过程的铜/钢双金属复合结构件，由上述制备方法制备得到。
20.本发明的有益效果是：
21.(1)本发明复合件以ni为铜/钢双金属过渡层的主要组元，可以提高界面的冶金结合性能，实现梯度过渡。
22.(2)本发明方法采用层间往复式增材方式，可以避免收弧处的塌陷问题，提高成型件的质量。
23.(3)本发明方法中对成型件进行热处理，可以细化晶粒、降低残余应力，大大提高增材件的服役性能。其中，淬火可以大大提高成型件的表面硬度，回火可以改善组织、降低残余应力。
附图说明
24.图1为本发明实施例3所制备的铜/钢双金属复合结构件铜侧显微组织形貌图；
25.图2为本发明实施例3所制备的铜/钢双金属复合结构件梯度过渡界面的宏观形貌。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
27.本发明提供一种结合热处理过程的铜/钢双金属复合结构件的制备方法，具体操作步骤为：
28.步骤1：选择低碳钢作为增材制备的基板材料，并采用机械清理的方法去除表面杂质；
29.步骤1中，低碳钢的型号为q345b、q275或q235。
30.步骤2：选择型号为er50
‑
6、h08mna或er49
‑
1的碳钢焊丝作为钢侧用原料；选择型号为s201、hs211或hs216的焊丝作为用铜侧用原料；选择自制cu
‑
ni药芯焊丝作为过渡层用原料；按照先钢侧，然后过渡层，最后铜侧的顺序，采用层间往返式增材工艺进行堆积，得到成型件；
31.步骤2中，cu
‑
ni药芯焊丝包括有焊皮及药芯，焊皮为宽度7mm的t2纯铜带，药芯成分为100％的镍粉，镍粉的颗粒度为100
‑
200目。
32.步骤2中，钢侧用焊丝的规格为φ1.2
‑
1.6mm；铜侧用焊丝的规格为φ1.2
‑
1.6mm；过渡层用焊丝的规格为φ1.2
‑
1.6mm。
33.步骤2中，增材工艺具体参数为：
①
钢侧：钢侧的堆积层数为15～20层；具体的工艺参数为：焊接电流为175～205a，焊接电压为20～25v，焊丝干伸长度10～15mm，焊接速度为5～8mm/s；保护气体为：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15～20l/min；
②
过渡层：过渡层金属堆积层数为1～2层，具体的工艺参数为：焊接电流为210～235a，电压为22～26v，焊接速度4～6mm/s，焊丝干伸长度10～15mm；
③
铜侧：铜侧的堆积层数为15～20层；具体的工艺参数为：焊接电流为220～245a，焊接电压为23～27v，焊丝干伸长度10～15mm，焊接速度4～6mm/s；其中，过渡层及铜侧选用的保护气体均为体积分数99.99％的纯氩气，气体流量15～20l/min。
34.步骤2中，为提高结构件的成型质量，增材过程中设置一定的摆弧参数。其中，焊接过程中摆动幅度均为3～3.6mm，摆弧频率均为4～4.5hz。
35.步骤2中，每道沉积层必须进行必要的机械清理，防止夹杂。
36.步骤3：采用机械打磨和线切割结合的方式，对步骤2得到的成型件表面进行处理；
37.步骤3中，成型件表面进行处理后的粗糙度为1.6
‑
1.8。
38.步骤4：对步骤3中所制备的成型件进行热处理，即得。
39.步骤4中，对成型件的热处理工艺具体为：800～850℃淬火，保温30～60min，水冷；然后进行400～450℃回火，保温60～80min后，随炉冷却。
40.本发明还提供一种结合热处理过程的铜/钢双金属复合结构件，由上述制备方法制备得到。
41.各个实施例中经步骤3处理后得到的未热处理前界铜钢界面结合区域的残余应力为280～320mpa。
42.实施例1
43.步骤1，基板材料的选择与表面处理。选用q345b作为增材的基板材料，其规格为：长
×
宽
×
厚＝200
×
120
×
5mm。对基本表面进行机械打磨，去除表面杂质、油污。
44.步骤2，增材工艺与原料的选择。选择钢侧、铜侧以及过渡层三种原料分别为er50
‑
6碳钢焊丝、s201焊丝、自制cu
‑
ni药芯焊丝，其丝径规格均为φ1.2mm。其中，cu
‑
ni药芯焊丝的外皮材料为宽度7mm的t2纯铜带，药粉成分为100％的纯ni粉，镍粉的颗粒度为100目。铜侧、钢侧的堆积层数为18层。双金属材料的制备工艺参数具体为：
①
钢侧：焊接电流为175a，焊接电压为20v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度为5mm/s，保护气体为：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15l/min；
②
过渡层：过渡层金属堆积层数为2层，具体的工艺参数为：焊接电流为210a，电压为22v，焊接速度4mm/s，焊丝干伸长度15mm；
③
铜侧：焊接电流为220a，焊接电压为23v，焊丝干伸长度
15mm，焊接速度4mm/s。其中，过渡层及铜侧选用的保护气体均为体积分数99.99％的纯氩气，气体流量15l/min。摆弧参数具体为：摆动幅度为3.2mm，摆弧频率4.5hz。另外，制备过程选用层间往复式增材路径，且每一层都要进行机械清理，防止夹杂。
45.步骤3，为了便于残余应力的测量，采用机械打磨和线切割结合的方式，对步骤2所制备的成型件表面进行处理，提高其平整度，成型件表面进行处理后的粗糙度为1.6。
46.步骤4，采用合理的热处理工艺对步骤3中所制备的成型件进行组织、性能的优化。具体工艺为：800℃淬火，保温30min，水冷；然后进行400℃回火，保温60min后，随炉冷却。
47.实施例1中采用一种用于铜/钢双金属复合件的性能优化方法制备的梯度复合材料结构件，经力学性能和微观组织观察，发现墙壁结构成型良好，铜侧柱状晶组织有一定程度的细化。经热处理后，铜侧显微硬度达到了127.8hv
0.1
，界面平均残余应力为245mpa。
48.实施例2
49.步骤1，基板材料的选择与表面处理。选用q345b作为增材的基板材料，其规格为：长
×
宽
×
厚＝200
×
120
×
5mm。对基本表面进行机械打磨，去除表面杂质、油污。
50.步骤2，增材工艺与原料的选择。选择钢侧、铜侧以及过渡层三种原料分别为er50
‑
6碳钢焊丝、s201焊丝、自制cu
‑
ni药芯焊丝，其丝径规格均为φ1.6mm。其中，cu
‑
ni药芯焊丝的外皮材料为宽度7mm的t2纯铜带，药粉成分为100％的纯ni粉，镍粉的颗粒度为100目。铜侧、钢侧的堆积层数为15层。双金属材料的制备工艺参数具体为：
①
钢侧：焊接电流为180a，焊接电压为21v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度为5.5mm/s，保护气体为：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量16l/min；
②
过渡层：过渡层金属堆积层数为1层，具体的工艺参数为：焊接电流为215a，电压为23v，焊接速度4.5mm/s，焊丝干伸长度15mm；
③
铜侧：焊接电流为225a，焊接电压为24v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度4.5mm/s。其中，过渡层及铜侧选用的保护气体均为体积分数99.99％的纯氩气，气体流量15l/min。摆弧参数具体为：摆动幅度为3.2mm，摆弧频率4.5hz。另外，制备过程选用层间往复式增材路径，且每一层都要进行机械清理，防止夹杂。
51.步骤3，为了便于残余应力的测量，采用机械打磨和线切割结合的方式，对步骤2所制备的成型件表面进行处理，提高其平整度，成型件表面进行处理后的粗糙度为1.8。
52.步骤4，采用合理的热处理工艺对步骤3中所制备的成型件进行组织、性能的优化。具体工艺为：810℃淬火，保温40min，水冷；然后进行410℃回火，保温60min后，随炉冷却。
53.实施例2中采用一种用于铜/钢双金属复合件的性能优化方法制备的梯度复合材料结构件，经力学性能和微观组织观察，发现墙壁结构成型良好。经热处理后，铜侧显微硬度达到了132.5hv
0.1
，残余应力为215mpa。
54.实施例3
55.步骤1，基板材料的选择与表面处理。选用q345b作为增材的基板材料，其规格为：长
×
宽
×
厚＝200
×
120
×
5mm。对基本表面进行机械打磨，去除表面杂质、油污。
56.步骤2，增材工艺与原料的选择。选择钢侧、铜侧以及过渡层三种原料分别为er50
‑
6碳钢焊丝、s201焊丝、自制cu
‑
ni药芯焊丝，其丝径规格均为φ1.2mm。其中，cu
‑
ni药芯焊丝的外皮材料为宽度7mm的t2纯铜带，药粉成分为100％的纯ni粉，镍粉的颗粒度为100目。铜侧、钢侧的堆积层数为18层。双金属材料的制备工艺参数具体为：
①
钢侧：焊接电流为190a，焊接电压为22v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度为6mm/s，保护气体为：体积分数为90％ar+体
积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量18l/min；
②
过渡层：过渡层金属堆积层数为1层，具体的工艺参数为：焊接电流为225a，电压为24v，焊接速度5mm/s，焊丝干伸长度15mm；
③
铜侧：焊接电流为230a，焊接电压为25v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度5mm/s。其中，过渡层及铜侧选用的保护气体均为体积分数99.99％的纯氩气，气体流量18l/min。摆弧参数具体为：摆动幅度为3.2mm，摆弧频率4.5hz。另外，制备过程选用层间往复式增材路径，且每一层都要进行机械清理，防止夹杂。
57.步骤3，为了便于残余应力的测量，采用机械打磨和线切割结合的方式，对步骤2所制备的成型件表面进行处理，提高其平整度，成型件表面进行处理后的粗糙度为1.7。
58.步骤4，采用合理的热处理工艺对步骤3中所制备的成型件进行组织、性能的优化。具体工艺为：820℃淬火，保温45min，水冷；然后进行420℃回火，保温65min后，随炉冷却。
59.实施例3中采用一种用于铜/钢双金属复合件的性能优化方法制备的梯度复合材料结构件，经力学性能和微观组织观察，发现墙壁结构成型良好，实现了明显的梯度过渡，且冶金结合较好，如附图1、2所示。经热处理后，铜侧柱状晶组织发生了明显的细化现象，如附图2所示，铜侧显微硬度达到了147.6hv
0.1
，残余应力为195mpa。
60.实施例4
61.步骤1，基板材料的选择与表面处理。选用q235作为增材的基板材料，其规格为：长
×
宽
×
厚＝200
×
120
×
5mm。对基本表面进行机械打磨，去除表面杂质、油污。
62.步骤2，增材工艺与原料的选择。钢侧、铜侧以及过渡层三种原料分别为er50
‑
6碳钢焊丝、s201焊丝、自制cu
‑
ni药芯焊丝，其丝径规格均为φ1.4mm。其中，cu
‑
ni药芯焊丝的外皮材料为宽度7mm的t2纯铜带，药粉成分为100％的纯ni粉，镍粉的颗粒度为100目。铜侧、钢侧的堆积层数为20层。双金属材料的制备工艺参数具体为：
①
钢侧：焊接电流为200a，焊接电压为23v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度为6.5mm/s，保护气体为：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量18l/min；
②
过渡层：过渡层金属堆积层数为1层，具体的工艺参数为：焊接电流为230a，电压为25v，焊接速度5.5mm/s，焊丝干伸长度15mm；
③
铜侧：焊接电流为240a，焊接电压为26v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度5.5mm/s。其中，过渡层及铜侧选用的保护气体均为体积分数99.99％的纯氩气，气体流量18l/min。摆弧参数具体为：摆动幅度为3.2mm，摆弧频率4.5hz。另外，制备过程选用层间往复式增材路径，且每一层都要进行机械清理，防止夹杂。
63.步骤3，为了便于残余应力的测量，采用机械打磨和线切割结合的方式，对步骤2所制备的成型件表面进行处理，提高其平整度，成型件表面进行处理后的粗糙度为1.6。
64.步骤4，采用合理的热处理工艺对步骤3中所制备的成型件进行组织、性能的优化。具体工艺为：830℃淬火，保温50min，水冷；然后进行430℃回火，保温70min后，随炉冷却。
65.实施例4中采用一种用于铜/钢双金属复合件的性能优化方法制备的梯度复合材料结构件，经力学性能和微观组织观察，发现墙壁结构成型良好。经热处理后，铜侧显微硬度达到了125.8hv
0.1
，残余应力为236mpa。
66.实施例5
67.步骤1，基板材料的选择与表面处理。选用q275作为增材的基板材料，其规格为：长
×
宽
×
厚＝200
×
120
×
5mm。对基本表面进行机械打磨，去除表面杂质、油污。
68.步骤2，增材工艺与原料的选择。选择钢侧、铜侧以及过渡层三种原料分别为er50
‑
6碳钢焊丝、s201焊丝、自制cu
‑
ni药芯焊丝，其丝径规格均为φ1.2mm。其中，cu
‑
ni药芯焊丝的外皮材料为宽度7mm的t2纯铜带，药粉成分为100％的纯ni粉，镍粉的颗粒度为100目。铜侧、钢侧的堆积层数为19层。双金属材料的制备工艺参数具体为：
①
钢侧：焊接电流为205a，焊接电压为25v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度为8mm/s，保护气体为：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量20l/min；
②
过渡层：过渡层金属堆积层数为2层，具体的工艺参数为：焊接电流为235a，电压为26v，焊接速度6mm/s，焊丝干伸长度15mm；
③
铜侧：焊接电流为245a，焊接电压为27v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度6mm/s。其中，过渡层及铜侧选用的保护气体均为体积分数99.99％的纯氩气，气体流量20l/min。摆弧参数具体为：摆动幅度为3.2mm，摆弧频率4.5hz。另外，制备过程选用层间往复式增材路径，且每一层都要进行机械清理，防止夹杂。
69.步骤3，为了便于残余应力的测量，采用机械打磨和线切割结合的方式，对步骤2所制备的成型件表面进行处理，提高其平整度，成型件表面进行处理后的粗糙度为1.8。
70.步骤4，采用合理的热处理工艺对步骤3中所制备的成型件进行组织、性能的优化。具体工艺为：850℃淬火，保温60min，水冷；然后进行450℃回火，保温80min后，随炉冷却。
71.实施例5中采用一种用于铜/钢双金属复合件的性能优化方法制备的梯度复合材料结构件，经力学性能和微观组织观察，发现墙壁结构成型良好。经热处理后，铜侧显微硬度为127.5hv
0.1
，残余应力为245mpa。
72.实施例6
73.步骤1，基板材料的选择与表面处理。选用q345b作为增材的基板材料，其规格为：长
×
宽
×
厚＝200
×
120
×
5mm。对基本表面进行机械打磨，去除表面杂质、油污。
74.步骤2，增材工艺与原料的选择。选择钢侧、铜侧以及过渡层三种原料分别为h08mna碳钢焊丝、hs211焊丝、自制cu
‑
ni药芯焊丝，其丝径规格均为φ1.2mm。其中，cu
‑
ni药芯焊丝的外皮材料为宽度7mm的t2纯铜带，药粉成分为100％的纯ni粉，镍粉的颗粒度为100目。铜侧、钢侧的堆积层数为18层。双金属材料的制备工艺参数具体为：
①
钢侧：焊接电流为175a，焊接电压为20v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度为5mm/s，保护气体为：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15l/min；
②
过渡层：过渡层金属堆积层数为2层，具体的工艺参数为：焊接电流为210a，电压为22v，焊接速度4mm/s，焊丝干伸长度15mm；
③
铜侧：焊接电流为220a，焊接电压为23v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度4mm/s。其中，过渡层及铜侧选用的保护气体均为体积分数99.99％的纯氩气，气体流量15l/min。摆弧参数具体为：摆动幅度为3.2mm，摆弧频率4.5hz。另外，制备过程选用层间往复式增材路径，且每一层都要进行机械清理，防止夹杂。
75.步骤3，为了便于残余应力的测量，采用机械打磨和线切割结合的方式，对步骤2所制备的成型件表面进行处理，提高其平整度，成型件表面进行处理后的粗糙度为1.6。
76.步骤4，采用合理的热处理工艺对步骤3中所制备的成型件进行组织、性能的优化。具体工艺为：800℃淬火，保温30min，水冷；然后进行400℃回火，保温60min后，随炉冷却。
77.实施例6中采用一种用于铜/钢双金属复合件的性能优化方法制备的梯度复合材料结构件，经力学性能和微观组织观察，发现墙壁结构成型良好，铜侧柱状晶组织有一定程度的细化。经热处理后，铜侧显微硬度达到了126.5hv
0.1
，界面平均残余应力为246mpa。
78.实施例7
79.步骤1，基板材料的选择与表面处理。选用q345b作为增材的基板材料，其规格为：长
×
宽
×
厚＝200
×
120
×
5mm。对基本表面进行机械打磨，去除表面杂质、油污。
80.步骤2，增材工艺与原料的选择。选择钢侧、铜侧以及过渡层三种原料分别为er49
‑
1碳钢焊丝、hs216焊丝、自制cu
‑
ni药芯焊丝，其丝径规格均为φ1.2mm。其中，cu
‑
ni药芯焊丝的外皮材料为宽度7mm的t2纯铜带，药粉成分为100％的纯ni粉，镍粉的颗粒度为100目。铜侧、钢侧的堆积层数为18层。双金属材料的制备工艺参数具体为：
①
钢侧：焊接电流为175a，焊接电压为20v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度为8mm/s，保护气体为：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15l/min；
②
过渡层：过渡层金属堆积层数为2层，具体的工艺参数为：焊接电流为210a，电压为22v，焊接速度4mm/s，焊丝干伸长度15mm；
③
铜侧：焊接电流为230a，焊接电压为26v，焊丝干伸长度15mm，焊接速度4mm/s。其中，过渡层及铜侧选用的保护气体均为体积分数99.99％的纯氩气，气体流量15l/min。摆弧参数具体为：摆动幅度为3.2mm，摆弧频率4.5hz。另外，制备过程选用层间往复式增材路径，且每一层都要进行机械清理，防止夹杂。
81.步骤3，为了便于残余应力的测量，采用机械打磨和线切割结合的方式，对步骤2所制备的成型件表面进行处理，提高其平整度，成型件表面进行处理后的粗糙度为1.6。
82.步骤4，采用合理的热处理工艺对步骤3中所制备的成型件进行组织、性能的优化。具体工艺为：820℃淬火，保温60min，水冷；然后进行420℃回火，保温60min后，随炉冷却。
83.实施例7中采用一种用于铜/钢双金属复合件的性能优化方法制备的梯度复合材料结构件，经力学性能和微观组织观察，发现墙壁结构成型良好，铜侧柱状晶组织有一定程度的细化。经热处理后，铜侧显微硬度达到了128.5hv
0.1
，界面平均残余应力为244mpa。