CN110480008B

CN110480008B - 一种利用激光3d打印制备三维连通钨基复合材料及方法

Info

Publication number: CN110480008B
Application number: CN201910829002.4A
Authority: CN
Inventors: 谈震; 周振鲁; 贺定勇; 吴旭; 周正; 郭星晔; 王国红; 王曾洁
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2039-09-03
Also published as: CN110480008A

Abstract

一种利用激光3D打印制备三维连通钨基复合材料及方法，属于难熔金属复合材料3D打印领域。该方法包括以下步骤：1)将钨粉与第二相金属或合金粉末按照一定比例进行机械混合；2)利用激光3D打印技术，选择较高的激光功率并配合适宜的扫描速率和扫描间距进行成形；3)对成形后的钨基复合材料进行表面处理，获得最终的三维连通钨基复合材料。本发明所制备的钨基复合材料中相对密度高，孔隙和裂纹极少，复合材料中钨相为三维连通结构，第二相金属或合金被封闭在三维连通的钨相之中。

Description

一种利用激光3D打印制备三维连通钨基复合材料及方法

技术领域

本发明属于难熔金属复合材料3D打印领域，特别涉及一种利用激光3D打印制备三维连通钨基复合材料的方法。

背景技术

钨及其合金具有熔点高、高温强度高、低蒸汽压、低的膨胀系数以及在许多介质中的耐蚀性好等一系列优良特性，广泛应用于武器装备、医疗器械和通讯发射装备等领域。但钨熔点高、高温强度高，冶炼加工困难，目前大部分钨及其合金只能采用粉末冶金成形，这种成形工艺需要昂贵的工装模具，而且工艺过程复杂、难以成形三维结构复杂的零件，这限制了其应用范围的扩大。因此，开发钨及其合金的先进成形技术已成为研究热点之一。

激光3D打印(增材制造)技术作为一种新型的成形技术，它是利用激光热源对粉末进行烧结或熔化而制备出块体材料，其成形不受材料熔点等因素的限制，可以实现三维复杂造型结构件或功能梯度材料的整体近净成形，而且所制备材料具有优异的力学性能和化学性能，能够真正实现数字化、智能化加工。因此，利用激光3D打印成形技术制备钨及其合金具有广阔的应用前景。目前，利用激光3D打印技术制备纯钨样品普遍存在大量微小裂纹，相对密度较低；而制备钨合金往往以熔化第二相合金作为粘结相，钨不发生熔化，仍然以颗粒的形式存在于合金中，并不能完全发挥钨高强度、高熔点的作用，因此需要充分利用激光3D打印技术开发新型钨及其合金的制备方法。

发明内容

本发明针对激光3D打印制备钨基复合材料的现状，提出一种全新的制备方法。通过合理选择钨及第二相的组成，并配合适宜的激光3D打印工艺，实现了钨相的完全熔化，所制备的钨基复合材料中相对密度高，孔隙和裂纹极少。钨基复合材料中钨相为三维连通结构，可以显著提升复合材料的力学性能，而第二相互不连通，被封闭在三维连通的钨相之中。另外，本发明所述的方法实现了三维连通钨基复合材料的近净成形，同时可制备具有复杂结构的部件。

本发明一种利用激光3D打印制备三维连通钨基复合材料，其特征在于，复合材料包括钨及第二相，其中钨相为钨完全熔化后形成的整体三维连通结构，第二相分散在钨相中，同时被封闭在三维连通的钨相之中。进一步优选分散的第二相互不连通。

第二相为熔点低于钨相，且熔融状态下与钨熔液不互溶的材料，如单质金属、金属合金、非晶合金或高熵合金等中的任意一种或几种，单质金属、金属合金如铜及铜合金、镍及镍合金；非晶合金如ZrTiCuNiBe、ZrTiCuNiAl；高熵合金如CoCrFeMnNi、HfNbZrTiAl。

上述所述的一种利用激光3D打印制备三维连通钨基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)选择合适的钨粉和第二相粉末进行混合，其中钨粉为还原钨粉、喷雾造粒钨粉或等离子球化钨粉中的一种，粒度分布为15～65μm，第二相粉末为水雾化或气雾化粉末，粒度分布为15～65μm，其中第二相粉末与钨之间基本不互溶，且熔点低于钨相；

(2)选择激光3D打印技术中的激光选区熔化技术，选择较高的激光功率保证钨全部熔化同时避免第二相大量蒸发，扫描速率为250mm/s～800mm/s，扫描间距为0.04mm～0.08mm的工艺参数进行激光3D打印成形；将激光选区熔化制备的钨基复合材料进行表面切割，喷砂处理。

步骤(1)将钨粉与第二相粉末按照钨粉的质量分数为60％～90％、第二相粉末的质量分数为10％～40％的比例进行机械混合；

步骤(2)在选择较高的激光功率保证钨全部熔化同时避免第二相大量蒸发时优选激光功率范围在100W～150W之间；

进一步优选，步骤(1)所述的钨粉为带微孔结构的钨粉。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明所述的方法实现了钨相的完全熔化而非烧结，所制备的钨基复合材料中相对密度≥98％，孔隙和裂纹极少。

2.本发明所制备的钨基复合材料中钨相为三维连通结构(即钨相整体式互连的，第二相孤立分散在钨相中，分散的第二相不互连)，体积分数为50％～80％，三维连通的钨相可以显著提升复合材料的力学性能。第二相互不连通，而是被封闭在三维连通的钨相之中，体积分数为20％～50％。

3.本发明可根据复合材料的使用需求进行材料和工艺的调整，例如适用于热沉、电接触材料的钨铜复合材料，适用于高密度、射线屏蔽材料的钨镍铁复合材料，适用于高能活性穿甲弹的钨-非晶合金/高熵合金复合材料等。

4.本发明所述的方法实现了三维连通钨基复合材料的近净成形，同时可制备具有复杂结构的部件。

附图说明

图1为实例2中经过机械混合后喷雾造粒钨粉和水雾化铜锡合金粉末的SEM图；a、b、c分别对应不同的比例尺寸。

图2为实例2中激光选区熔化制备的三维连通钨-铜锡复合材料的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。以下实施例的钨粉优选为具有微纳孔结构的钨粉。

实施例1

1.选择等离子球化制备的球形钨粉和气雾化制备的纯铜粉，其粒度分布为15～65μm，将钨粉与铜粉末按照钨粉的质量分数为70％、铜粉的质量分数为30％的比例进行机械混合；

2.选择激光3D打印技术中的激光选区熔化技术(所有实施例中均采用EOS M1003D打印机，不再赘述)，选择较高的激光功率100W，在保证钨全部熔化的同时避免铜的大量蒸发，扫描速率为800mm/s，扫描间距为0.06mm的工艺参数进行激光选区熔化成形。

3.将激光选区熔化制备的钨铜复合材料进行表面切割，喷砂处理。

4.本发明所述的方法实现了钨相的完全熔化，所制备的钨铜复合材料中相对密度为98.5％，孔隙和裂纹极少。钨铜复合材料中钨相为三维连通结构，体积分数为56.21％，铜被封闭在三维连通的钨相之中，体积分数为43.79％。

实施例2

1.选择喷雾造粒制备的球形钨粉和水雾化制备的铜锡合金粉，其粒度分布为15～65μm，将钨粉与铜锡合金粉末按照钨粉的质量分数为80％、铜锡合金粉的质量分数为20％的比例进行机械混合；

2.选择激光3D打印技术中的激光选区熔化技术，选择较高的激光功率120W，在保证钨全部熔化的同时避免铜锡合金大量蒸发，扫描速率为250mm/s，扫描间距为0.04mm的工艺参数进行激光选区熔化成形。

3.将激光选区熔化制备的钨-铜锡复合材料进行表面切割，喷砂处理。

4.本发明所述的方法实现了钨相的完全熔化，所制备的钨-铜锡复合材料中相对密度为98.8％，孔隙和裂纹极少。钨铜锡复合材料中钨相为三维连通结构，体积分数为58.90％，铜锡合金被封闭在三维连通的钨相之中，体积分数为41.10％。

实施例3

1.选择还原法制备的钨粉和水雾化制备的镍粉，其粒度分布为15～65μm，将钨粉与镍粉末按照钨粉的质量分数为90％、镍粉的质量分数为10％的比例进行机械混合；

2.选择激光3D打印技术中的激光选区熔化技术，选择较高的激光功率150W，在保证钨全部熔化的同时避免镍大量蒸发，扫描速率为250mm/s，扫描间距为0.04mm的工艺参数进行激光选区熔化成形。

3.将激光选区熔化制备的钨-镍复合材料进行表面切割，喷砂处理。

4.本发明所述的方法实现了钨相的完全熔化，所制备的钨-镍复合材料中相对密度为99.2％，孔隙和裂纹极少。钨-镍复合材料中钨相为三维连通结构，体积分数为85.36％，镍相被封闭在三维连通的钨相之中，体积分数为14.64％。

实施例4

1.选择等离子球化制备的球形钨粉和气雾化制备的非晶合金粉(ZrTiCuNiBe)，其粒度分布为15～65μm，将钨粉与锆基非晶合金粉末按照钨粉的质量分数为80％、锆基非晶合金粉的质量分数为20％的比例进行机械混合；

2.选择激光3D打印技术中的激光选区熔化技术，选择较高的激光功率120W，在保证钨全部熔化的同时避免锆基非晶合金大量蒸发，扫描速率为800mm/s，扫描间距为0.08mm的工艺参数进行激光选区熔化成形。

3.将激光选区熔化制备的钨-锆基非晶复合材料进行表面切割，喷砂处理。

4.本发明所述的方法实现了钨相的完全熔化，所制备的钨-非晶合金复合材料中相对密度为98.1％，孔隙和裂纹极少。钨-锆基非晶合金复合材料中钨相为三维连通结构，体积分数为60.25％，锆基非晶合金被封闭在三维连通的钨相之中，体积分数为39.75％。

实施例5

1.选择等离子球化制备的球形钨粉和气雾化制备的高熵合金粉(CoCrFeMnNi)，其粒度分布为15～65μm，将钨粉与高熵合金粉末按照钨粉的质量分数为80％、高熵合金粉的质量分数为20％的比例进行机械混合；

3.选择激光3D打印技术中的激光选区熔化技术，选择较高的激光功率140W，在保证钨全部熔化的同时避免高熵合金大量蒸发，扫描速率为500mm/s，扫描间距为0.06mm的工艺参数进行激光选区熔化成形。

4.将激光选区熔化制备的钨-高熵合金复合材料进行表面切割，喷砂处理。

5.本发明所述的方法实现了钨相的完全熔化，所制备的钨-高熵合金复合材料中相对密度为98.6％，孔隙和裂纹极少。钨-高熵合金复合材料中钨相为三维连通结构，体积分数为71.29％，高熵合金被封闭在三维连通的钨相之中，体积分数为28.71％。

Claims

1.一种利用激光3D打印制备三维连通钨基复合材料，其特征在于，复合材料包括钨及第二相，其中钨相为钨完全熔化后形成的整体三维连通结构，第二相分散在钨相中，同时被封闭在三维连通的钨相之中，分散的第二相互不连通。

2.按照权利要求1所述的一种利用激光3D打印制备三维连通钨基复合材料，其特征在于，第二相为熔点低于钨相，且熔融状态下与钨熔夜不互溶的材料，选自单质金属、金属合金、非晶合金或高熵合金中的任意一种，其中单质金属、金属合金选自铜及铜合金、镍及镍合金；非晶合金如ZrTiCuNiBe、ZrTiCuNiAl；高熵合金如CoCrFeMnNi、HfNbZrTiAl。

3.按照权利要求1所述的一种利用激光3D打印制备三维连通钨基复合材料，其特征在于，钨相体积分数为50%~80%，第二相体积分数为20%~50%。

4.权利要求1-3任一项所述的一种利用激光3D打印制备三维连通钨基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）选择合适的钨粉和第二相粉末进行混合，其中钨粉为还原钨粉、喷雾造粒钨粉或等离子球化钨粉中的一种，粒度分布为15~65 μm，第二相粉末为水雾化或气雾化粉末，粒度分布为15~65 μm，其中第二相粉末与钨之间基本不互溶，且熔点低于钨相；

（2）选择激光3D打印技术中的激光选区熔化技术，选择较高的激光功率保证钨全部熔化同时避免第二相大量蒸发，扫描速率为250 mm/s ~ 800 mm/s，扫描间距为0.04 mm~0.08mm的工艺参数进行激光3D打印成形；将激光选区熔化制备的钨基复合材料进行表面切割，喷砂处理。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（1）将钨粉与第二相粉末按照钨粉的质量分数为60%~90%、第二相粉末的质量分数为10%~40%的比例进行机械混合。

6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（2）在选择较高的激光功率保证钨全部熔化同时避免第二相大量蒸发时优选激光功率范围在100 W~150 W之间。