一种铜铬混合物及其增材制造方法与流程

1.本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种铜铬混合物及其增材制造方法。


背景技术：

2.铜铬合金应具有强度和硬度高、导热性和导电性良好以及抗腐蚀性强等优点，广泛应用于制备电阻电极、触头材料等领域。
3.但由于铜(熔点为1083℃)与铬(熔点为1857℃)的熔点相差774℃，在制备过程中，往往铜合金熔化而铬元素仍处于固体状态，因此常规熔炼技术由于铬元素容易聚集无法获得组织均匀的铜铬混合物，导致制备“铜+铬”混合物块体特别困难，尤其是组织均匀致密的“铜+铬”混合物。


技术实现要素：

4.为克服现有的技术缺陷，本发明提供一种铜铬混合物及其增材制造方法，本发明的增材制造方法，能实现将铜元素与铬元素充分互溶形成组织均匀的混合物。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：
6.第一方面，提供了一种铜铬混合物的增材制造方法，包括以下步骤：
7.(1)取铜粉和铬粉进行搅拌混合，得到混合粉末；
8.其中，按重量百分比计，所述铜粉与铬粉的比例为65～80％：20～35％；
9.(2)取基板，将基板固定在激光熔化沉积设备的激光熔化沉积工作台上，并将电磁感应加热线圈放置于基板周围，确保电磁感应加热线圈包裹基板，设定电磁感应加热线圈的加热温度为500～900℃；
10.(3)待电磁感应加热线圈达到设定温度后，在无送粉条件下对基板表面进行连续激光扫描，将基板待沉积表面的氧化膜去除；
11.(4)在激光熔化沉积设备中设定激光熔化沉积工艺参数和激光扫描路径，将步骤(1)得到的混合粉末加入激光熔化沉积设备的送粉器中，启动激光熔化沉积设备，根据设定的激光熔化沉积工艺参数和激光扫描路径，将混合粉末逐层熔化沉积在基板上，制备得到铜铬混合物。
12.本发明的基板为纯铜板或铜合金板。
13.本发明还可使用砂轮对基板待沉积表面进行打磨的方式去除氧化膜，再使用砂纸打磨基板表面，打磨后使用无水乙醇清洗基板表面，吹干后置于惰性气体中进行保护备用，在使用时直接取出并采用电磁感应线圈进行加热。
14.进一步地，所述铜粉和铬粉的粒径均为53-175μm，纯度均大于99.9％。
15.进一步地，步骤(1)中，采用防爆式混料机对铜粉和铬粉进行搅拌混合，搅拌时将粉转动搅拌并将内腔的粉体进行翻滚。
16.本发明中，防爆式混料机为现有的混料机。
17.进一步地，步骤(2)中，在激光熔化沉积设备上还设置有用于测定基板温度的测温
枪。
18.本发明中，测温枪为现有的测温枪，测温枪采集基板的温度并进行反馈，从而调整磁感应加热线圈的功率使其稳定在500～900℃之间。
19.进一步地，步骤(3)中，电磁感应加热线圈加热到设定温度后继续保温10-30min。
20.进一步地，步骤(3)中，所述激光扫描的工艺参数为：激光光斑直径为3mm、激光连续模式出光功率为600w、激光扫描速度为600mm/min。
21.进一步地，步骤(4)中，所述激光熔化沉积工艺参数为：激光光斑直径为1.2-3mm、激光连续模式出光功率为800-1900w、激光扫描速度为90mm/min-300mm/min、送粉量为10g/min-30g/min、打印层高为0.3-0.6mm；所述激光扫描路径为连续扫描路径。
22.进一步地，步骤(4)中，所述激光扫描路径为层间90
°
旋转交替扫描。
23.进一步地，所述基板的厚度200mm，直径100mm。
24.第二方面，提供了一种铜铬混合物，所述铜铬混合物采用如第一方面所述的增材制造方法制造而成。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
26.1、本发明通过电磁感应的加热方式能提高基板的温度，并通过基板提高混合粉末中铜粉的温度和红外激光吸收率，同时电磁感应线圈的电磁涡流使熔池内产生涡流并对溶质元素进行充分搅拌，使溶质元素充分扩散于熔池中，铜铬混合粉末在红外激光辐射下熔化形成冶金结合，最终达到铜元素与铬元素充分互溶形成组织均匀的混合物的效果，从而解决了激光熔化沉积制造铜合金的难题。
27.2、本发明通过采用防爆式混料机对铜粉和铬粉进行搅拌混合，搅拌时将粉体转动搅拌并将内腔的粉体进行翻滚，能使重量较重的铜粉在搅拌器皿中散开，增加与铬粉接触面积，从而使铬粉附着在铜粉表面达到充分均匀混合。
28.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
29.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
30.图1为实施例1中金属材料吸收率随温度的关系结果示意图；
31.图2为实施例2中铜铬混合物的示意图；
32.图3为实施例2中铜铬混合物在显微镜下的金相组织示意图；
33.图4为实施例3中铜铬混合物的示意图；
34.图5为实施例3中铜铬混合物在显微镜下的金相组织示意图；
35.图6为对比例1中铜铬混合物的示意图；
36.图7为对比例1中铜铬混合物在显微镜下的金相组织示意图。
具体实施方式
37.为了更充分的理解本发明的技术内容，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍和说明；显然，以下所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的
实施例；基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
38.对于本领域的技术人员来说，通过阅读本说明书公开的内容，本发明的特征、有益效果和优点将变得显而易见。
39.除非另外指明，所有百分比、分数和比率都是按本发明组合物的总重量计算的。本文术语“重量含量”可用符号“％”表示。
40.本文中“包括”、“包含”、“含”、“含有”、“具有”或其它变体意在涵盖非封闭式包括，这些术语之间不作区分。术语“包含”是指可加入不影响最终结果的其它步骤和成分。术语“包含”还包括术语“由...组成”和“基板上由...组成”。本发明的组合物和方法/工艺可包含、由其组成和基板上由本文描述的必要元素和限制项以及本文描述的任一的附加的或任选的成分、组分、步骤或限制项组成。
41.实施例1
42.本实施例验证了在金属材料吸收率随温度的关系，验证结果如图1所示，由图1中可以看出铜对红外激光的吸收率随温度升高呈线性提高。
43.基于实施例1的验证结果，本发明进一步提供了实施例2和实施例3。
44.实施例2
45.将球形铜粉(粒径为100μm)与球形铬粉(粒径为120μm)按照3:1的重量比混合，混合过程采用防爆式混料机充分搅拌均匀，搅拌时将粉转动搅拌并将内腔的粉体进行翻滚，得到混合粉末；
46.取铜板并以铜板作为基板，将基板固定在激光熔化沉积设备的激光熔化沉积工作台上，将电磁感应加热线圈放置于基板周围，确保电磁感应加热线圈包裹基板，将测温枪对准基板表面；其中，铜板的厚度200mm，厚度100mm。
47.设定电磁感应加热线圈的加热温度为600℃，对基板进行电磁感应加热，加热到600℃后保温15min；
48.本实施例中，测温枪为现有的测温枪，测温枪采集基板的温度并进行反馈，从而调整磁感应加热线圈的功率使其稳定在500～900℃之间。
49.本实施例中，电磁感应线圈不仅能对基板进行加热，电磁感应线圈的电磁涡流使熔池内产生涡流并对溶质元素进行充分搅拌，使溶质元素充分扩散于熔池中，使铜铬混合粉末在红外激光辐射下熔化形成冶金结合。
50.达到设定温度后，用激光熔化沉积设备进行激光扫描：
51.设定激光扫描条件为：
52.激光光斑直径为3mm；激光连续模式出光功率为600w；激光扫描速度为600mm/min；
53.待电磁感应加热线圈达到设定温度后，在无送粉条件下对基板表面进行连续激光扫描，将基板待沉积表面的氧化膜去除；
54.进行“铜铬混合物”激光熔化沉积，设定激光熔化沉积的工艺参数为：
55.激光光斑直径为2mm、激光连续模式出光功率为1200w、激光扫描速度为200mm/min、送粉量为20g/min、打印层高为0.4mm、激光扫描路径为层间90
°
旋转交替扫描；
56.激光熔化沉积的工艺参数设定完成后，将混合粉末加入激光熔化沉积设备的送粉器中；运行设备程序，执行打印任务，将混合粉末逐层熔化沉积在基板上，制备得到铜铬混
合物。
57.本实施例中通过往送粉器加入混合粉末，实现后续稳定的送粉及激光熔化沉积工作。
58.实施例2制得的铜铬混合物及其金相组织(显微镜下)示意图如图2和图3所示。
59.实施例2中，铜粉和铬粉的粒径还可采用53-175μm中的任意一种。
60.实施例3
61.将球形铜粉(粒径为53μm)与球形铬粉(粒径为53μm)按照2:1的重量比混合，混合过程采用防爆式混料机充分搅拌均匀，搅拌时将粉转动搅拌并将内腔的粉体进行翻滚，得到混合粉末；
62.取铜板并以铜板作为基板，将基板固定在激光熔化沉积设备的激光熔化沉积工作台上，将电磁感应加热线圈放置于基板周围，确保电磁感应加热线圈包裹基板，将测温枪对准基板表面；其中，铜板的厚度200mm，直径100mm。
63.设定电磁感应加热线圈的加热温度为800℃，对基板进行电磁感应加热，加热到600℃后保温15min；
64.本实施例中，测温枪为现有的测温枪，测温枪采集基板的温度并进行反馈，从而调整磁感应加热线圈的功率使其稳定在500～900℃之间。
65.本实施例中，电磁感应线圈不仅能对基板进行加热，电磁感应线圈的电磁涡流使熔池内产生涡流并对溶质元素进行充分搅拌，使溶质元素充分扩散于熔池中，使铜铬混合粉末在红外激光辐射下熔化形成冶金结合。
66.达到设定温度后，用激光熔化沉积设备进行激光扫描：
67.设定激光扫描条件为：
68.激光光斑直径为3mm；激光连续模式出光功率为600w；激光扫描速度为600mm/min；
69.在无送粉条件下对基板表面进行连续激光扫描，将基板表面的氧化膜去除；
70.进行“铜铬混合物”激光熔化沉积，设定激光熔化沉积的工艺参数为：
71.激光光斑直径为3mm、激光连续模式出光功率为1700w、激光扫描速度为300mm/min、送粉量为25g/min、打印层高为0.5mm、激光扫描路径为层间90
°
旋转交替扫描；
72.激光熔化沉积的参数设定完成后，将混合粉末加入激光熔化沉积设备的送粉器中；运行设备程序，执行打印任务，将混合粉末逐层熔化沉积在基板上，制备得到铜铬混合物。
73.本实施例中通过往送粉器加入混合粉末，实现后续稳定的送粉及激光熔化沉积工作。
74.实施例3制得的铜铬混合物及其金相组织(显微镜下)示意图如图4和图5所示。
75.实施例3中，铜粉和铬粉的粒径还可采用53-175μm中的任意一种。
76.对比例1
77.对比例1与实施例2的区别在于：对比例1同样通过激光熔化沉积方法进行铜铬混合物增材制造，但未采用电磁感应加热方式以及其他加热方式对基板进行加热，最终由于铜的高反较高而导致无法堆积成块，因此只能沉积不到3mm就无法继续打印。
78.对比例1制得的铜铬混合物及其金相组织(显微镜下)示意图如图6和图7所示。
79.结合图2-图7以及上述记载可得，实施例2和实施例3通过电磁感应的加热方式不
仅能提高基板的温度，进而通过基板提高混合粉末中铜粉的红外激光吸收率，同时电磁感应线圈的电磁涡流使熔池内产生涡流对溶质元素进行充分搅拌，使溶质元素充分扩散于熔池中，使铜合金在红外激光辐射下熔化形成冶金结合，最终达到铜元素与铬元素充分互溶形成组织均匀的混合物(如图3和图5所示)，从而解决了激光熔化沉积制造铜合金的难题。
80.而对比例1中未采用电磁感应加热方式或其他加热方式进行加热，由图6和图7(白色亮斑为铬)可以看出成型过程基板表面光亮，激光反光无法熔覆铜铬粉末，观察内部组织可以看出熔覆的铜铬混合物内部组织没有混合，因此无法实现铜铬混合增材打印。
81.对比例2
82.对比例1与实施例2的区别在于：对比例1通过激光熔化沉积方法进行铜铬混合物增材制造，并采用普通加热方式对基板进行加热(以激光束或电子束为热源进行加热)，在普通方式加热方式下铜合金虽然可以熔覆，但是观察铜铬混合物内部(金相组织)仍然会存在铬元素聚集情况。
83.综上所述，本发明通过电磁感应的加热方式不仅能提高基板的温度以及混合粉末中铜粉的红外激光吸收率，同时电磁感应线圈的电磁涡流使熔池内产生涡流对溶质元素进行充分搅拌，使溶质元素充分扩散于熔池中，使铜合金在红外激光辐射下熔化形成冶金结合，最终达到铜元素与铬元素充分互溶形成组织均匀的混合物，与其他加热方式相比，解决了激光熔化沉积中铜元素无法与铬元素充分混合的难题。
84.以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。