一种激光3d打印钨铜合金异形构件的方法及其构件
阅读说明：本技术 一种激光3d打印钨铜合金异形构件的方法及其构件 (Method for laser 3D printing of tungsten-copper alloy special-shaped component and component thereof ) 是由 陈新贵 李泽厚 高猛 许中明 吴祖剑 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光3D打印钨铜合金异形构件的方法及其构件,步骤为建模、选料、激光选区熔化成形激光3D打印多孔点阵结构的钨骨架构件、退火、后处理检验、清洁、渗铜最终获得钨铜合金构件,使用时,通过激光选区熔化成形3D打印钨骨架构件,由于激光选区熔化成形3D打印技术是一种精密制造技术,以成形构件的数学模型为基础,通过逐层扫描,使材料累积成型得到最终的构件,其具有对构件在全部空间上进行形状控制的能力,可以实现传统机械加工工艺所不能实现的复杂结构制造,采用激光选区熔化成形3D打印技术可以实现任意复杂结构钨铜合金构件的制造,且无需变形加工和机械加工处理,可以得到高致密度、性能优良的钨铜合金复杂结构异形构件。(The invention discloses a method for laser 3D printing tungsten copper alloy special-shaped component and component thereof, which comprises the steps of modeling, material selection, laser selective area melting forming, laser 3D printing of tungsten framework component with porous lattice structure, annealing, post-treatment inspection, cleaning and copper infiltration to finally obtain tungsten copper alloy component, when in use, the laser selective area melting forming 3D printing tungsten framework component is adopted, because the laser selective area melting forming 3D printing technology is a precise manufacturing technology, based on the mathematical model of the formed component, the material is accumulated and formed to obtain the final component by layer-by-layer scanning, the method has the capability of controlling the shape of the component on all spaces, the complex structure manufacture which can not be realized by the traditional mechanical processing technology can be realized, the laser selective area melting forming 3D printing technology can be adopted to realize the manufacture of tungsten copper alloy component with any complex structure, and deformation processing and mechanical processing are not needed, and the tungsten-copper alloy special-shaped component with a complex structure and high density and excellent performance can be obtained.)
技术领域
本发明涉及合金成形制造领域，具体涉及一种激光3D打印钨铜合金异形构件的方法及其构件。
背景技术
钨铜合金同时具有钨的高熔点、高强度和铜的高导电特性，具有良好的导电和导热性能，耐电弧烧蚀能力强，广泛应用于电力、电子、仪器仪表等领域，用于制作热沉、高压触头开关，焊接电极等器件，但由于钨和铜无论是在固相还是液相状态下都不互溶，因此钨铜合金是一种具有典型铜相和钨相分离的假合金，假合金的结构，以及钨和铜的熔点差异巨大(一个大气压下，铜的熔点是1083.4oC，钨的熔点是3410oC)，使得钨铜合金无法采用传统得熔炼方法制造。
通常的钨铜合金产品均采用粉末冶金烧结钨骨架后，进行渗铜处理来制造。通过控制钨骨架的空隙率来控制钨铜合金中钨铜的比例，粉末冶金和熔渗方法结合尽管是十分成熟的钨铜合金制造方法，但由于工艺方法的本身固有限制，使得钨铜合金产品制造存在诸多不足，限制了钨铜合金的应用。
这些不足主要表现为：1.成熟的粉末冶金方法虽然可以有效地控制钨骨架烧结产品中的孔隙率，但是难以做到孔隙尺寸的高度一致，在空间分布上也存在一定的不均匀性，这使得进行渗铜处理后的钨铜合金虽然在宏观上可以控制钨和铜的比例达到一定的准确性，但是在微观区域的分布上，材料成分具有极大的不均性，产品性能也无法保证高度的一致性。这在某些对材料性能要求很高的领域，难以取得很好的应用。
2.粉末冶金方法制备的多孔钨骨架尽管能够保证绝大部分孔与材料表面连通，但是不可避免地，有一部分孔会在烧结多孔钨内部形成闭合，在进行铜熔渗处理时，这部分闭孔不能被铜液填充，从而保持在钨铜合金内部成为材料内部缺陷。因此，对材料强度要求较高的钨铜合金往往在熔渗后还需进行变形加工以提高材料的致密度和强度。
3.受制于粉末冶金成型模具和成型加工，以及在钨铜合金熔渗后需要的变形加工过程，制备获得钨铜合金原材料往往为圆棒或板材，在制作钨铜合金构件时以板材或圆棒作为原材料进行机械加工得到最终产品。机械加工过程除了增加制造成本、降低材料利用率等缺点外，还存在不能制造获得复杂结构的异形构件的问题，这大大限制了钨铜合金的应用。
因此，改变传统的粉末冶金制造钨铜合金的方法，获得具有任意复杂结构的、性能优良的钨铜合金构件，是扩展钨铜合金应用领域的关键。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种激光3D打印钨铜合金异形构件的方法及其构件。
本发明的技术方案为：
本发明提供了一种激光3D打印钨铜合金异形构件的方法，包括以下步骤：
步骤1：建模，根据钨铜合金中铜的体积分数，确定钨骨架构件的孔隙率，并以孔隙率来确定多孔点阵结构钨骨架的数字模型，预先建模的该钨骨架构件的数字模型；
步骤2：选料，将粒径为10～50μm的球形钨粉作为原料；
步骤3：熔化成形激光3D打印，把原料通过激光选区熔化成形激光3D打印设备制造具有多孔点阵结构的钨骨架构件；
步骤4：退火，3D打印结束后，将钨骨架构件连同基板在600～1200℃下退火处理，退火后再从基板上取下钨骨架构件；
步骤5：后处理检验，将钨骨架构件依次进行去除支撑、喷砂、局部打磨、缺陷和尺寸检验操作；
步骤6：清洁，将钨骨架构件在液体中超声波清洗1～10分钟，冷风吹干后，采用真空封装，等待集中渗铜处理；
步骤7：渗铜，经过渗铜处理的钨骨架构件即为最终获得钨铜合金构件。
优选的，所述步骤1中，铜的体积分数为20～60％，建模时通过单位体积内的点阵元胞的数量和点阵结构中点和棱的尺寸来控制孔隙率。
优选的，所述步骤3中，所述激光选区熔化成形激光3D打印设备的激光器功率范围400～1000W，所述激光选区熔化成形激光3D打印设备的使用功率范围200～800W，3D打印层厚范围20～80μm，光斑直径100～200μm，扫描速度2～15m/s。
优选的，所述步骤4中，将钨骨架构件连同基板在600～1200℃氢气保护下退火处理，退火时间2～8小时。
优选的，所述步骤6中，将钨骨架构件依次在5％～10％浓度的NaOH溶液、去离子水、无水乙醇中超声波清洗1～10分钟。
优选的，所述步骤7中，采用埋渗法渗铜工艺，在氢气保护下的1100～1600℃条件下进行，通过毛细效应使熔化的纯铜液进入多孔点阵结构的钨骨架构件，而后冷却凝固保留在预留的孔隙中得到钨铜合金构件。
优选的，所述步骤7中，采用浸渗法渗铜工艺，在氢气保护下的1100～1600℃条件下进行，通过毛细效应使熔化的纯铜液进入多孔点阵结构的钨骨架构件，而后冷却凝固保留在预留的孔隙中得到钨铜合金构件。
本发明还提供了一种钨铜合金异形构件，通过上述一种激光3D打印钨铜合金异形构件的方法制备得到。
本发明所达到的有益效果为：通过激光选区熔化成形3D打印钨骨架构件，由于激光选区熔化成形3D打印技术是一种精密制造技术，以成形构件的数学模型为基础，通过逐层扫描，使材料累积成型得到最终的构件，其具有对构件在全部空间上进行形状控制的能力，可以实现传统机械加工工艺所不能实现的复杂结构制造，采用激光选区熔化成形3D打印技术可以实现任意复杂结构钨铜合金构件的制造，且无需变形加工和机械加工处理，可以得到高致密度、性能优良的钨铜合金复杂结构异形构件。
附图说明
图1是本发明实施例一制备的钨铜合金异形构件的示意图。
图2是本发明实施例一制备的钨铜合金异形构件的金相示意图。
具体实施方式
为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种激光3D打印制造钨铜合金异形构件的方法：
实施例一：包括以下步骤：
步骤1：建模，本实施例一中，钨铜合金中铜的体积分数为20％，确定钨骨架构件的孔隙率，并以孔隙率来确定多孔点阵结构钨骨架的数字模型，建模时通过单位体积内的点阵元胞的数量和点阵结构中点和棱的尺寸来控制孔隙率，预先建模的该钨骨架构件的数字模型，之所以采取点阵结构，是因为该类型的结构在空间上有重复性，这对保证最终的钨铜合金异形构件不表现出各向异性很重要；
本实施例一中，多孔点阵结构钨骨架的形状为长方体；
步骤2：选料，将粒径为10μm的球形钨粉作为原料；
步骤3：熔化成形激光3D打印，把原料通过激光选区熔化成形激光3D打印设备制造具有多孔点阵结构的钨骨架构件；
步骤4：退火，3D打印结束后，将钨骨架构件连同基板在600℃氢气保护下退火处理，退火时间2小时，退火后再用电火花切割从基板上取下钨骨架构件；
步骤5：后处理检验，将钨骨架构件依次进行去除支撑、喷砂、局部打磨、缺陷和尺寸检验操作；
步骤6：清洁，将钨骨架构件依次在5％浓度的NaOH溶液、去离子水、无水乙醇中超声波清洗1分钟，冷风吹干后，采用真空封装，等待集中渗铜处理；
步骤7：渗铜，采用埋渗法渗铜工艺，在氢气保护下的1100℃条件下进行，通过毛细效应使熔化的纯铜液进入多孔点阵结构的钨骨架构件，而后冷却凝固保留在预留的孔隙中得到钨铜合金构件，钨骨架构件致密度为97％；钨铜合金构件孔隙填充率大于99.7％。
本实施例一中，激光选区熔化成形激光3D打印设备的激光器功率范围400W，激光选区熔化成形激光3D打印设备的使用功率范围200W，3D打印层厚范围20μm，光斑直径100μm，扫描速度2m/s。
实施例二：包括以下步骤：
步骤1：建模，本实施例二中，钨铜合金中铜的体积分数为60％，确定钨骨架构件的孔隙率，并以孔隙率来确定多孔点阵结构钨骨架的数字模型，建模时通过单位体积内的点阵元胞的数量和点阵结构中点和棱的尺寸来控制孔隙率，预先建模的该钨骨架构件的数字模型，之所以采取点阵结构，是因为该类型的结构在空间上有重复性，这对保证最终的钨铜合金异形构件不表现出各向异性很重要；
本实施例二中，多孔点阵结构钨骨架的形状为立方体；
步骤2：选料，将粒径为50μm的球形钨粉作为原料；
步骤3：熔化成形激光3D打印，把原料通过激光选区熔化成形激光3D打印设备制造具有多孔点阵结构的钨骨架构件；
步骤4：退火，3D打印结束后，将钨骨架构件连同基板在1200℃氢气保护下退火处理，退火时间8小时，退火后再用电火花切割从基板上取下钨骨架构件；
步骤5：后处理检验，将钨骨架构件依次进行去除支撑、喷砂、局部打磨、缺陷和尺寸检验操作；
步骤6：清洁，将钨骨架构件依次在10％浓度的NaOH溶液、去离子水、无水乙醇中超声波清洗10分钟，冷风吹干后，采用真空封装，等待集中渗铜处理；
步骤7：渗铜，采用埋渗法渗铜工艺，在氢气保护下的1600℃条件下进行，通过毛细效应使熔化的纯铜液进入多孔点阵结构的钨骨架构件，而后冷却凝固保留在预留的孔隙中得到钨铜合金构件，钨骨架构件致密度为99.5％；钨铜合金构件孔隙填充率大于99.7％。
本实施例二中，激光选区熔化成形激光3D打印设备的激光器功率范围1000W，激光选区熔化成形激光3D打印设备的使用功率范围800W，3D打印层厚范围80μm，光斑直径200μm，扫描速度15m/s。
实施例三：包括以下步骤：
步骤1：建模，本实施例三中，钨铜合金中铜的体积分数为40％，确定钨骨架构件的孔隙率，并以孔隙率来确定多孔点阵结构钨骨架的数字模型，建模时通过单位体积内的点阵元胞的数量和点阵结构中点和棱的尺寸来控制孔隙率，预先建模的该钨骨架构件的数字模型，之所以采取点阵结构，是因为该类型的结构在空间上有重复性，这对保证最终的钨铜合金异形构件不表现出各向异性很重要；
本实施例三中，多孔点阵结构钨骨架的形状为四面体；
步骤2：选料，将粒径为30μm的球形钨粉作为原料；
步骤3：熔化成形激光3D打印，把原料通过激光选区熔化成形激光3D打印设备制造具有多孔点阵结构的钨骨架构件；
步骤4：退火，3D打印结束后，将钨骨架构件连同基板在900℃氢气保护下退火处理，退火时间5小时，退火后再用电火花切割从基板上取下钨骨架构件；
步骤5：后处理检验，将钨骨架构件依次进行去除支撑、喷砂、局部打磨、缺陷和尺寸检验操作；
步骤6：清洁，将钨骨架构件依次在7.5％浓度的NaOH溶液、去离子水、无水乙醇中超声波清洗5分钟，冷风吹干后，采用真空封装，等待集中渗铜处理；
步骤7：渗铜，采用埋渗法渗铜工艺，在氢气保护下的1350℃条件下进行，通过毛细效应使熔化的纯铜液进入多孔点阵结构的钨骨架构件，而后冷却凝固保留在预留的孔隙中得到钨铜合金构件，钨骨架构件致密度为98.25％；钨铜合金构件孔隙填充率大于99.7％。
本实施例三中，激光选区熔化成形激光3D打印设备的激光器功率范围700W，激光选区熔化成形激光3D打印设备的使用功率范围500W，3D打印层厚范围50μm，光斑直径150μm，扫描速度8.5m/s。
进一步，在其他实施例中，多孔点阵结构钨骨架的形状还可以为星形，八角形，六边形，菱形等，对最终产品不产生明显影响；
还可以采用埋渗法渗铜工艺，可选在氢气保护下的1100℃、1350℃或1600℃条件下进行，通过毛细效应使熔化的纯铜液进入多孔点阵结构的钨骨架构件，而后冷却凝固保留在预留的孔隙中得到钨铜合金构件。
如图1所示，通过实施例一的方法制备了钨铜合金异形构件。
进一步，在其他实施例中，还可以通过其余实施例制备钨铜合金异形构件。
以上实施例在使用时，通过激光选区熔化成形3D打印钨骨架构件，由于激光选区熔化成形3D打印技术是一种精密制造技术，以成形构件的数学模型为基础，通过逐层扫描，使材料累积成型得到最终的构件，其具有对构件在全部空间上进行形状控制的能力，可以实现传统机械加工工艺所不能实现的复杂结构制造，采用激光选区熔化成形3D打印技术可以实现任意复杂结构钨铜合金构件的制造，且无需变形加工和机械加工处理，可以得到高致密度、性能优良的钨铜合金复杂结构异形构件。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
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