權利要求

1.一種提高銅合金零件致密度的方法，其特征在于，包括以下步驟：

成型：選用干燥的銅合金粉末通過粘結劑噴射3D打印工藝逐層鋪粉并通過零件的切片圖案選擇性噴射粘結劑，直至3D打印模型完成;

固化：將打印完成的3D打印模型進行真空熱固化，熱固化后清粉得到銅合金生坯;

脫脂：將銅合金生坯置于真空脫脂爐中進行脫脂，得到脫脂坯體;

燒結：將脫脂坯體分段式燒結，燒結后隨爐冷卻至室溫，獲得銅合金零件。

2.根據(jù)權利要求1所述的提高銅合金零件致密度的方法，其特征在于，燒結步驟中的分段式燒結分為兩步，第一步采用真空燒結，第二步采用分壓燒結，其中分壓燒結的溫度高于真空燒結的溫度。

3.根據(jù)權利要求2所述的提高銅合金零件致密度的方法，其特征在于，脫脂步驟中的真空燒結溫度低于燒結過程中的真空燒結溫度。

4.根據(jù)權利要求2所述的提高銅合金零件致密度的方法，其特征在于，第一步真空燒結，以5～15℃/min升溫至預設溫度，保溫1～3h;預設溫度為Ts-(50～200℃);

其中，Ts為銅合金固相線溫度。

5.根據(jù)權利要求2所述的提高銅合金零件致密度的方法，其特征在于，第二步分壓燒結，以1～5℃/min升溫至預設溫度，保溫2～5h;燒結過程中通入氮氣，氮氣通入量為2～10L/min，隨爐冷卻;

預設溫度的計算公式為：Ts+k(Tl-Ts)，

其中，Ts為銅合金固相線溫度，k為0.2～0.5，Tl為銅合金液相線溫度。

6.根據(jù)權利要求5所述的提高銅合金零件致密度的方法，其特征在于，分壓燒結步驟中，通入氮氣的同時持續(xù)抽真空。

7.根據(jù)權利要求1所述的提高銅合金零件致密度的方法，其特征在于，真空熱固化的固化溫度100～180℃，保溫時間60～240min，升溫速率1～10℃/min;真空壓力值為0.1～1KPa，真空壓力速率為1～10KPa/min。

8.根據(jù)權利要求1所述的提高銅合金零件致密度的方法，其特征在于，脫脂工藝過程如下：

真空脫脂爐抽真空至1～20Pa;

通入惰性氣體，惰性氣體的氣體通入流量2～10L/min;

升溫至400～700℃，保溫4～8h;

其中惰性氣體為氫氣或/和氬氣。

9.根據(jù)權利要求1所述的提高銅合金零件致密度的方法，其特征在于，在成型步驟中，銅合金粉末為CuCr系粉末，粒徑分布為0～30μm。

10.根據(jù)權利要求1所述的提高銅合金零件致密度的方法，其特征在于，粘結劑噴射打印用的粘結劑采用低殘?zhí)妓辰Y劑。

說明書

技術領域

[0001]本發(fā)明涉及提高銅合金致密度的方法，特別涉及一種粘結劑噴射3D打印銅合金的致密度提高方法。

背景技術

[0002]銅及其合金具有較高的導熱性、導電性和可加工性，廣泛應用于航空航天、汽車、電力等領域。由于其高導熱性，是換熱器和散熱器的主要原料之一。然而，傳統(tǒng)制造工藝在加工復雜幾何結構和高性能部件時面臨諸多挑戰(zhàn)。使得復雜部件的制造成本高、周期長。

[0003]3D打印技術，即增材制造技術，作為一種先進的制造方法，通過逐層疊加材料來成形三維零件，能夠在一定程度上克服這些挑戰(zhàn)。選區(qū)激光熔化(SLM)、電子束熔化(EBM)等主要技術，為銅及銅合金的3D打印提供了多種可能性。這些技術不僅能夠實現(xiàn)高精度和復雜幾何結構的制造，還能顯著提高材料利用率，降低制造成本。

[0004]然而，銅的高反射率和高導熱性，使得其在3D打印過程中面臨獨特的挑戰(zhàn)。如，在SLM技術中，銅對激光能量的吸收效率較低，導致熔化不充分，高導熱性則容易導致熱量迅速擴散，影響熔池的穩(wěn)定性和成型質(zhì)量，導致沉積層產(chǎn)生卷曲、分層，以及產(chǎn)生孔隙，造成零件性能缺陷。而粘結劑噴射技術在室溫下對零件進行構建，不需要高能量的輸入，可有效避免缺陷的產(chǎn)生且成本更低。然而粘結劑噴射3D打印銅及銅合金燒結致密化難度較大，從而影響部件的機械性能和熱導率。

發(fā)明內(nèi)容

[0005]基于此，本發(fā)明提出了一種提高粘結劑噴射3D打印銅合金致密度的方法?？朔算~合金粘結劑噴射技術燒結致密度低及力學性能差的問題。在確保致密度高的前提下具有優(yōu)異的力學性能。

[0006]一種提高銅合金零件致密度的方法，包括以下步驟：

[0007]成型：選用干燥的銅合金粉末通過粘結劑噴射3D打印工藝逐層鋪粉并通過零件的切片圖案選擇性噴射粘結劑，直至3D打印模型完成;

[0008]固化：將打印完成的3D打印模型進行熱固化，熱固化后清粉得到銅合金生坯;

[0009]脫脂：將銅合金生坯置于真空脫脂爐中進行脫脂，得到脫脂坯體;

[0010]燒結：將脫脂坯體分段式燒結，燒結后隨爐冷卻至室溫，獲得銅合金零件。

[0011]銅合金粉末通過粘結劑噴射打印成型后在真空熱固化工藝下，不但打印模型具有一定的強度，而且還不會產(chǎn)生氧化;經(jīng)真空脫脂使得粘結劑被有效去除，保證后續(xù)燒結過程的質(zhì)量與性能，又通過分段燒結和隨爐冷卻使得致密度顯著提高的零件。

[0012]在一實施例中，燒結步驟中的分段式燒結分為兩步，第一步采用真空燒結，第二步采用分壓燒結，其中分壓燒結的溫度高于真空燒結的溫度。

[0013]這種真空燒結結合分壓燒結的方式，可以清潔燒結環(huán)境的同時精細控制燒結氣氛，以此獲得更好的燒結效果。通過第一步的低溫燒結，坯體可以在低溫下達到初步致密化，避免晶粒過早長大;第二步采用更高的溫度燒結可以進一步促進孔隙的閉合，而不顯著影響晶粒尺寸，實現(xiàn)坯體力學性能的提升。

[0014]在一實施例中，脫脂步驟中的真空燒結溫度低于燒結過程中的真空燒結溫度。

[0015]脫脂步驟中真空燒結溫度低于燒結過程的真空燒結溫度，通過這種階梯式溫度設置，實現(xiàn)對打印坯體的完全脫脂，且避免溫度驟然升高造成坯體內(nèi)晶粒尺寸突變，影響最終銅合金零件的性能。

[0016]在一實施例中，第一步真空燒結，以5～15℃/min升溫至預設溫度，保溫1～3h;預設溫度為Ts-(50～200℃);

[0017]其中Ts為銅合金固相線溫度。

[0018]第一步真空燒結，處于零件燒結初期，升溫速率相對較快，提高燒結效率。

[0019]在一實施例中，第二步分壓燒結，以1～5℃/min升溫至預設溫度，保溫2～5h;燒結過程中通入氮氣，氮氣通入量為2～10L/min，隨爐冷卻;

[0020]預設溫度的計算公式為：Ts+k(Tl-Ts)，

[0021]其中，Ts為銅合金固相線溫度，k為0.2～0.5，Tl為銅合金液相線溫度線。

[0022]第二步分壓燒結時，升溫速率相對較低，主要是避免過快的升溫速率導致零件內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應力。

[0023]在一實施例中，分壓燒結步驟中，通入氮氣的同時持續(xù)進行抽真空。

[0024]在分壓燒結時，由于通入氮氣，所以在該過程為了保證燒結環(huán)境及氣氛滿足要求，需要適時對燒結進行抽真空。

[0025]在一實施例中，固化步驟中的熱固化采用真空固化爐進行固化，固化溫度為100～180℃，保溫時間為60～240min，升溫速率1～10℃/min;真空壓力值為0.1～1KPa，真空壓力速率為1～10KPa/min。

[0026]大尺寸零件內(nèi)部的粘結劑受熱傳遞影響，升溫相對較慢，如果升溫過快，外部粘結劑可能已經(jīng)固化，而內(nèi)部粘結劑還處于液態(tài)，會導致內(nèi)部應力集中等問題。另外為防止固化交聯(lián)反應過于劇烈，升溫速率也不應過快。本申請結合零件尺寸將升溫速率設置在1～10℃/min，既可以滿足固化效率，又可以滿足固化質(zhì)量。

[0027]在一實施例中，脫脂工藝過程如下：

[0028]脫脂固化爐抽真空至1～20Pa;

[0029]通入惰性氣體，惰性氣體的氣體流量控制在2～10L/min;

[0030]升溫至400～700℃，保溫4～8h;

[0031]其中惰性氣體為氫氣或/和氬氣。

[0032]脫脂步驟采用惰性氣體可以避免銅合金坯體被氧化;而通入氫氣脫脂還能夠有效去除粘結劑分解產(chǎn)生的殘余物，同時還能夠還原金屬氧化物，降低氧含量，提高燒結零件的質(zhì)量及導電性。

[0033]在一實施例中，在成型步驟中，銅合金粉末為CuCr系粉末，粒徑分布為0～30μm;3D打印模型采用鏤空結構設計。

[0034]鏤空結構設計，一方面能夠有效排除粘結劑，避免粘結劑殘留影響銅合金燒結件性能;另一方面能夠有效減少粘結劑浪費。

[0035]在一實施例中，粘結劑噴射打印用的粘結劑采用低殘?zhí)妓辰Y劑。

[0036]采用低殘?zhí)克辰Y劑進行3D打印，不但可以提高燒結后銅合金零件的電導率，而且還有利于強度等性能的提高。

[0037]通過粘結劑噴射3D打印成型的銅合金坯體經(jīng)過真空脫脂，不但可以有效去除粘結劑，而且真空脫脂防止坯體氧化，再經(jīng)過分段式燒、隨爐冷卻工藝提高銅合金零件的致密度和力學性能。

附圖說明

[0038]圖1為實施例一銅合金零件孔隙及金相圖

[0039]圖2為實施例而銅合金零件孔隙及金相圖

具體實施方式

[0040]為了便于理解本發(fā)明，下面將給出多個實施方式對本發(fā)明進行更全面的描述。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施方式。相反地，提供這些實施方式的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容理解得更加透徹全面。本文中的粘結劑噴射3D打印(3DP or BJ)，其工作原理是鋪粉器鋪設一層粉料，然后打印頭根據(jù)三維模型的切片圖案，在需要成型的位置噴射粘合劑，逐層打印最終形成三維打印生坯。本文中鏤空結構設計是指在粘結劑噴射打印過程中，在零件強度要求不高的部位或屬于內(nèi)芯位置，減少粘結劑的噴射量或噴射次數(shù)。打印模型的外觀、形狀尺寸等不做改變。本文中的模型、坯體是泛指，指經(jīng)過粘結劑噴射打印成型的三維模型或固化或脫脂后的坯體。除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發(fā)明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

[0041]一實施方式中，一種提高銅合金零件致密度的方法，包括以下步驟：

[0042]成型：選用干燥的銅合金粉末通過粘結劑噴射3D打印工藝逐層鋪粉并通過零件的切片圖案選擇性噴射粘結劑，直至3D打印模型完成;

[0043]固化：將打印完成的3D打印模型進行熱固化，熱固化后清粉得到銅合金生坯;

[0044]脫脂：將銅合金生坯置于真空脫脂爐中進行脫脂，得到脫脂坯體;

[0045]燒結：將脫脂坯體分段式燒結，燒結后隨爐冷卻至室溫，獲得銅合金零件。

[0046]通過粘結劑噴射3D打印成型銅合金的坯體經(jīng)過真空燒結，不但可以有效去除粘結劑，而且真空脫脂防止坯體氧化，再經(jīng)過分段式燒、隨爐冷卻工藝提高銅合金零件的致密度和力學性能。

[0047]下面結合具體實施例對所述提高銅合金零件致密度的方法進行說明，為了進一步說明本申請技術方案的先進性與實際成效，現(xiàn)給出具體實施例以進一步理解提高銅合金零件致密度的方法的構思。

[0048]實施例一

[0049]成型：選用水霧化CuCr合金粉末通過粘結劑噴射3D打印工藝進行打印。其中Cr的含量為0.95wt.%，粉末粒徑分布在0～10微米內(nèi)。在打印前，先將粉末置于100℃的真空烘箱中烘干2H，使其完全干燥。打印時，將制備干燥的CuCr合金粉末置于鋪粉裝置中進行逐層鋪粉，打印裝置根據(jù)銅合金零件的切片圖案選擇性地在CuCr合金粉末層上噴射粘結劑。直至打印模型完成。打印模型采用鏤空結構設計，粘結劑采用低殘?zhí)妓辰Y劑。

[0050]說明：水霧化粉末是一種通過水霧化法制備的金屬或合金粉末。水霧化法是一種將液態(tài)金屬或合金通過高壓水流沖擊，使其破碎成微小液滴，隨后液滴在水中快速冷卻凝固形成粉末顆粒的工藝。

[0051]CuCr合金粉末烘干后可以避免粉末吸潮團聚，影響打印質(zhì)量，低殘?zhí)妓辰Y劑的使用可以降低后續(xù)坯體燒結的殘?zhí)剂浚岣吆辖鹆慵木C合力學性能。

[0052]固化：將打印完成的3D打印模型置于真空固化爐中進行熱固化。固化時，以5KPa/min的速率對固化爐抽真空，使得爐內(nèi)真空壓力值為0.5KPa，然后以10℃/min升溫至150℃，保溫120min。待隨爐冷卻后清除多余松散粉末，得到銅合金固化生坯。經(jīng)測試，經(jīng)過該步驟銅合金生坯致密度可達到57.6%。

[0053]脫脂：將固化后的銅合金生坯置于氧化鋁陶瓷板上一同放入燒結爐中，抽真空至2Pa，以3L/min氣體流量通入H2+Ar的混合氣體，并以5℃/min的速率加熱至600℃保溫4h，進行充分脫脂。

[0054]采用氫氣脫脂能夠有效去除有機粘結劑分解產(chǎn)生的殘余物，同時能夠還原金屬氧化物，降低氧含量，避免其影響燒結件的燒結質(zhì)量和最終導電性。

[0055]燒結：將脫脂坯體分兩段燒結。第一段在真空環(huán)境中，以5℃/min升溫至950℃進行真空燒結，保溫2h。然后在第二段分壓燒結前，先對燒結爐腔進行抽真空，以清除爐內(nèi)的雜質(zhì)氣體和水分。再以2℃/min升溫至1080℃，保溫3h。該燒結過程中通入氮氣，氮氣以4L/min的流量注入，隨后隨爐冷卻至室溫，獲得銅合金燒結試塊。

[0056]在第一步真空燒結時，升溫速率略高，在保證燒結質(zhì)量的同時提高燒結效率;在第二步分壓燒結時，升溫速率低于第一步，主要是避免升溫速率過快導致零件內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應力，影響零件精度和性能。

[0057]經(jīng)過檢測，通過分段式燒結后的銅合金致密度可達98%以上，其孔隙及金相組織如圖1所示?？估瓘姸饶軌蜻_到220MPa以上(熱處理前)。括號內(nèi)的熱處理是指燒結后的后處理工序，如通過固溶時效處理進一步提升銅合金性能的處理手段或工序。

[0058]實施例二

[0059]成型：選用水霧化CuCr合金粉末通過粘結劑噴射3D打印工藝進行打印。其中Cr的含量為0.5wt.%，粉末粒徑分布在5～25微米內(nèi)。在打印前，先將粉末置于100℃的真空烘箱中烘干2H，使其完全干燥。打印時，將制備干燥的CuCr合金粉末置于鋪粉裝置中進行逐層鋪粉，打印裝置根據(jù)銅合金零件的切片圖案選擇性地在CuCr合金粉末層上噴射粘結劑。直至打印模型完成。打印模型采用鏤空結構設計，粘結劑采用低殘?zhí)妓辰Y劑。

[0060]CuCr合金粉末烘干后可以避免粉末吸潮團聚，影響打印質(zhì)量，低殘?zhí)妓辰Y劑的使用可以降低后續(xù)坯體燒結的殘?zhí)加嗔?，避免殘?zhí)剂扛哂绊戙~合金導電率及力學性能。

[0061]固化：將打印完成的3D打印模型置于真空固化爐中進行熱固化。固化時，以10KPa/min的速率對固化爐抽真空，使得爐內(nèi)真空壓力值達到0.1KPa，然后以5℃/min升溫至160℃，保溫150min。隨爐冷卻后清除多余松散粉末，得到銅合金固化生坯。經(jīng)測試，經(jīng)過該步驟銅合金生坯致密度可達到58.3%。

[0062]脫脂：將固化后的銅合金生坯置于氧化鋁陶瓷板上一同放入燒結爐中，抽真空至8Pa，再以10L/min氣體流量通入H2，并以8℃/min的速率加熱至450℃保溫4h，進行充分脫脂。

[0063]采用氫氣脫脂能夠有效去除有機粘結劑分解產(chǎn)生的殘余物，同時能夠還原金屬氧化物，降低氧含量，避免其影響燒結件的燒結質(zhì)量和最終導電性。

[0064]燒結：將脫脂坯體分兩段燒結。第一段在真空環(huán)境中，以10℃/min升溫至1000℃進行真空燒結，保溫1.5h。第二段采用分壓燒結，以1℃/min升溫至1085℃，保溫3h。該燒結過程中通入氮氣，氮氣以8L/min的流量注入，隨后隨爐冷卻至室溫，獲得銅合金燒結試塊。

[0065]經(jīng)過檢測，通過分段式燒結后的銅合金致密度可達98%以上，其孔隙及金相組織如圖2所示?？估瓘姸饶軌蜻_到180MPa以上(熱處理前)。括號內(nèi)的熱處理是指燒結后的后處理工序，如通過固溶時效處理進一步提升銅合金性能的處理手段或工序。

[0066]需要說明的是，在上述兩個實施例中，第二步分壓燒結階段，為了避免零件被氧化，燒結爐始終處于負壓環(huán)境，所以在該階段需要根據(jù)燒結爐中氣壓的情況進行適當抽真空。

[0067]通過上述實施例可以看出，采用本申請的技術方案，銅合金零件在燒結后具有很高的強度(未進行后續(xù)處理)，零件的致密度顯著提高。

[0068]以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

[0069]以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。

說明書附圖(2)