基于SLM技术制备钨铜连续梯度材料的方法

基于slm技术制备钨铜连续梯度材料的方法
技术领域
1.本发明属于功能梯度材料制备技术领域，涉及一种使用slm(选择性激光熔化)激光3d打印技术制备功能梯度材料的方法，具体涉及一种基于slm技术制备钨铜连续梯度材料的方法。


背景技术：

2.核聚变装置中面向等离子体材料与热沉材料的选择和有效连接是聚变能发展亟待解决的关键难题。w具有耐高温、高强度、高硬度等特征，cu则具有高导电、高导热性能的特点。但是由于w和cu的热膨胀系数、熔点等物理性质差异较大，且互不互溶，导致制备性能良好的钨/铜部件成为难题。
3.功能梯度材料是现有的一种非常好的解决方案，通过控制其成分的连续梯度变化，能够把这两种材料很好的融合到一起，实现良好的梯度结合。使得到的w/cu梯度材料同时具有各自的优秀性能。
4.目前功能梯度材料的常用制备方法有高温液相烧结法、热压烧结法、扩散烧结法、活化烧结法、放电等离子烧结及机械合金化等，但这些技术对于制备钨铜梯度材料仍然具有一定的局限性。部分研究工作者对钨铜复合材料的制备展开研究，例如，陆兴等人公开了一种钨铜合金的激光3d打印方法，通过控制送粉量得到随着打印层数的增加具有所需成分梯度变化或成分恒定的钨铜合金构件。田沛利用化学镀工艺，在w颗粒表面镀上cu材料，并利用化学镀铜法制备的w/cu复合粉末在不同温度下热压制备钨铜功能梯度材料，并发现其具有良好的致密度、热导率、电导率和抗热震性。但是对于利用slm技术和熔渗技术相结合的方法制备钨铜梯度的研究几乎没有。
5.综上所述，目前存在的制备w/cu梯度材料的方法仍然较少，且工艺也较为复杂。slm激光3d打印技术与熔渗技术的结合是一种新型有效的制备方法，可应用于该种材料制备。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种基于slm技术制备钨铜连续梯度材料的方法。本发明使用slm激光3d打印技术将w粉末制备成孔隙率呈梯度变化的w骨架结构，然后将所得到的w骨架熔渗cu，得到成分呈梯度变化的w/cu连续梯度复合材料。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种基于slm技术制备钨铜连续梯度材料的方法，所述方法为：
9.以w粉为原料，用刮刀水平运动进行铺粉，采用slm激光3d打印技术，配合成型室的升降运动和激光器按照规划路径扫面完成打印，通过控制激光扫描路径，得到空隙呈梯度变化的w骨架；将所得w骨架熔渗cu，获得成分呈梯度变化的w/cu连续梯度复合材料；
10.所述w粉为球形，表面光滑且基本无黏附的细小行星粉末，球形w粉的平均粒径为20μm，粉末需在200℃下干燥5h，以降低粉末湿度；
11.采用slm激光3d打印技术制备w骨架的制备环境为氩气环境，氧含量达到200ppm以下，工艺参数为：激光功率150～300w，扫描速度100～350mm/s，激光光斑直径100μm，扫描间距50μm，铺粉厚度40μm；
12.空隙呈梯度变化的w骨架由金属3d打印机打印n层扫描路径相同的，孔隙率横向呈梯度变化的梯度层得到；w骨架的每一层梯度层的孔隙率通过调节3d打印机的激光扫描路径来进行控制，一侧孔洞较为稀疏，则孔隙率大，向另一侧空隙逐渐密集，孔隙率梯度变小；所得w骨架中，空隙分布范围在20～80％；
13.所述w骨架熔渗cu，然后随炉冷却，熔渗温度为1300～1500℃，熔渗时间为60～240min；
14.所得w/cu连续梯度复合材料中，w含量变化范围在85～15wt.％，cu含量变化范围在15～85wt.％。
15.与现有技术相比，本发明的优点是：
16.采用slm激光3d打印技术，通过控制激光扫描路径，制备出孔隙率呈连续梯度变化的w骨架，然后将所得到w骨架熔渗cu，最终得到成分、性能呈梯度变化的w/cu梯度复合材料。同时，由于激光扫描路径具有可调性，可实现梯度变化幅度的细微可调，并且可控制空隙形状，可使钨铜更好地结合。本发明所得到的w/cu梯度复合材料不仅具有钨的高熔点、高硬度、低热膨胀系数的优点，也具有铜的高导电率高导热率优点。
附图说明
17.图1为本发明实施例中使用的slm激光3d打印设备结构示意图；
18.其中：1、环境气体入口，2、激光器，3、制备中的w骨架，4、成型室，5、集粉室，6、集粉升降台，7、环境气体出口，8、刮刀，9、供粉室，10、供粉升降台，11、基板，12、成型升降台。
19.图2为钨粉末slm扫面过程示意图。
20.图3为梯度钨骨架示意图。
具体实施方式
21.下面通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
22.实施例中所使用到的slm激光3d打印设备结构示意图如图1所示。
23.实施例1
24.一种基于slm技术的钨铜连续梯度材料的制备方法，利用了slm激光3d打印技术，详细步骤如下。
25.打印基板选用45号钢，厚度为20mm，并利用导热硅胶将基板固定在成型室底座上。基板预热至200℃。
26.将平均粒径为20μm的圆形纯钨粉在200℃下干燥5h后，将粉末放入slm设备中，使用水平铺粉装置，在基板上铺上一层厚度为40μm的粉末。使用高能量密度激光束按照如图3所示激光路径扫描粉末层，形成的激光微熔池在失去激光能量后迅速冷却形成实体，如此w骨架的一层过渡层制备完成。重复上述操作，即可完成w骨架的制备，w粉末的slm扫描过程如图2所示。所得到w骨架的孔隙率呈梯度变化。
27.slm激光3d打印工艺参数为：激光功率为300w，扫描速度为200mm/s，激光光斑直径
为100μm，铺粉厚度为40μm，环境气体为氩气，打印环境氧浓度低于200ppm。
28.将所得到的w骨架熔渗铜2h，然后随炉冷却，最终获得钨铜呈分成连续梯度的复合材料。


技术特征：
1.一种基于slm技术制备钨铜连续梯度材料的方法，其特征在于，所述方法为：以w粉为原料，用刮刀水平运动进行铺粉，采用slm激光3d打印技术，配合成型室的升降运动和激光器按照规划路径扫面完成打印，通过控制激光扫描路径，得到空隙呈梯度变化的w骨架；将所得w骨架熔渗cu，获得成分呈梯度变化的w/cu连续梯度复合材料；采用slm激光3d打印技术制备w骨架的制备环境为氩气环境，氧含量达到200ppm以下，工艺参数为：激光功率150～300w，扫描速度100～350mm/s，激光光斑直径100μm，扫描间距50μm，铺粉厚度40μm。2.如权利要求1所述的基于slm技术制备钨铜连续梯度材料的方法，其特征在于，所得w骨架中，空隙分布范围在20～80％。3.如权利要求1所述的基于slm技术制备钨铜连续梯度材料的方法，其特征在于，所述w粉为球形，球形w粉的平均粒径为20μm。4.如权利要求1所述的基于slm技术制备钨铜连续梯度材料的方法，其特征在于，所述w骨架熔渗cu，然后随炉冷却，熔渗温度为1300～1500℃，熔渗时间为60～240min。5.如权利要求1所述的基于slm技术制备钨铜连续梯度材料的方法，其特征在于，所得w/cu连续梯度复合材料中，w含量变化范围在85～15wt.％，cu含量变化范围在15～85wt.％。

技术总结
本发明公开了一种基于SLM技术制备钨铜连续梯度材料的方法，采用SLM激光3D打印技术，通过控制激光扫描路径，制备出孔隙率呈连续梯度变化的W骨架，然后将所得到W骨架熔渗Cu，最终得到成分、性能呈梯度变化的W/Cu梯度复合材料；同时，由于激光扫描路径具有可调性，可实现梯度变化幅度的细微可调，并且可控制空隙形状，可使钨铜更好地结合；本发明所得到的W/Cu梯度复合材料不仅具有钨的高熔点、高硬度、低热膨胀系数的优点，也具有铜的高导电率高导热率优点，本发明工艺流程短，产品性能优，适合规模生产。模生产。


技术研发人员：姚建华 余杭 丁孝禹 张群莉
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2022/7/12