CN111607717B - 一种增材制造的铜铁合金及其制备方法 - Google Patents

一种增材制造的铜铁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种增材制造的铜铁合金，其特征在于该铜铁合金的质量百分比组成为Fe：5.0～8.0wt％，RE：0.8～1.5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，杂质含量≤0.01wt％。本发明在铜合金中加入了适量的Fe，明显提高了铜在增材制造过程中对激光的吸收率，使增材制造更加容易进行。向铜合金中加入了适量的稀土，一方面可以改善铜铁合金粉末的显微组织，使其更适合于增材制造工艺，另一方面可以细化Cu相和Fe相的组织，提高铜铁合金的力学性能。

Description

一种增材制造的铜铁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铜合金增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造的铜铁合金及其制备方法。
背景技术
增材制造技术，又称快速成型或3D打印技术，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控***将专用的金属材料、非金属材料等材料按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体材料的制造技术。与传统的制造技术相比，增材制造技术有如下优点：(1)不受零件形状限制,可精密制造任何结构复杂的零件；(2)不需要模具开发、铸造、锻造、挤压、轧制和机械加工等复杂的加工工序便可以快速地完成零部件制造；(3)加工余量小，原材料浪费少。对于金属材料，常用的增材制造工艺主要包括：选区激光熔化技术(SLM)、选区激光烧结技术(SLS)和选区电子束熔融技术(SEBM)。其中，选区激光熔化技术由于具有成形精度高、内部质量好和力学性能高等优点展现了广阔的应用前景。
目前，应用选区激光熔化技术已可以成功地制备性能优异的钛合金、不锈钢以及高温镍基合金等产品。例如：发明专利CN104174845B公开了一种选区激光熔化成型制备钛合金零件的方法；发明专利CN108339983B公开了一种304不锈钢或304L不锈钢的选区激光熔化成型方法；发明专利CN109439962B公开了一种选区激光熔化成形镍基高温合金的方法。
但就铜合金而言，因纯铜粉末对激光的吸收率仅有2.0～5.0％，导致纯铜粉末打印效率低、产品的质量差，因此，采用选区激光熔化技术制备铜合金的技术尚不成熟，而铜合金具有良好的导电、导热性能以及优良的耐腐蚀性能在航空航天、电子电工等领域具有广泛的应用。目前，随着产品生产周期的缩短，复杂精密构件需求的逐步增加，开发出性能优异的增材制造的铜合金具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种吸收率好、综合性能优异的增材制造的铜铁合金。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种增材制造的铜铁合金，其特征在于该铜铁合金的质量百分比组成为Fe：5.0～8.0wt％，RE：0.8～1.5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，杂质含量≤0.01wt％。
Fe元素的加入可以明显改善铜合金粉末对激光的吸收率，纯Cu粉末对激光的吸收率仅有2.0～5.0％，而当加入一定量Fe元素后，能明显提高铜合金粉末对激光的吸收率。但是，由于Cu的熔点只有1083℃，与Fe的熔点1538℃相差很大，这会导致在增材制造过程中，高熔点物质不易完全融化而形成缺陷，因此，本发明中Fe的含量不宜过大，控制在5.0～8.0wt％。
稀土对于合金中的Cu相和Fe相都有一定的净化左右，使其更适合于增材制造工艺。另一方面可以细化Cu相和Fe相的组织，提高铜铁合金的力学性能。因此，本发明中添加0.8～1.5wt％RE。
杂质元素对铜铁合金增材制造有很大的影响，特别是O、S等杂质元素过多时，将会影响铜铁合金材料的性能。本发明杂质元素应控制在0.01wt％以内。
作为优选，所述RE选自轻稀土中的一种或多种；或者所述RE选自重稀土中的一种或者多种。
作为优选，所述RE为轻稀土中的La和Ce。
作为优选，所述铜铁合金的致密度为95～98％。
作为优选，所述铜铁合金的晶粒度≤50μm。
作为优选，所述铜铁合金的抗拉强度为400～460MPa，屈服强度为320～410MPa，延伸率为16～25％，导电率为55～70％IACS。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种增材制造的铜铁合金的制备方法。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种增材制造的铜铁合金的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：1)气雾化法制取铜铁合金粉末；2)选区激光熔化法制备铜铁合金材料。
作为优选，所述步骤1)的工艺为：按照铜铁合金材料的组分配比进行称料，将电解Cu、Fe、Cu-RE中间合金分别加入电磁感应熔炼炉中熔炼，熔炼温度为1200～1350℃，惰性气体保护，待金属液完全融化后，将金属液通过雾化喷嘴以5.0～8.0kg/min的速度流出，雾化喷嘴内的气压为4.0～5.0MPa，雾化的金属液滴快速凝固形成铜铁合金粉末。
作为优选，筛选出尺寸在35～65μm的铜铁合金粉末，将铜铁合金粉末放入100～150℃的真空干燥箱内备用。
作为优选，所述步骤2)中：将铜铁合金粉末置于选区激光熔化增材制造机的粉缸中，惰性气体保护，且氧含量的体积比＜0.1％，选区激光熔化法的工艺条件为：激光功率450～500W，光斑直径0.06～0.1mm，扫描速度6～10m/s，扫描间距0.05～0.16mm，铺粉层厚度0.02～0.05mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明向铜合金中加入了适量的Fe，明显提高了铜在增材制造过程中对激光的吸收率，使增材制造更加容易进行。向铜合金中加入了适量的稀土，一方面可以改善铜铁合金粉末的显微组织，使其更适合于增材制造工艺，另一方面可以细化Cu相和Fe相的组织，提高铜铁合金的力学性能。
2)本发明采用增材制造的方法制备铜铁合金材料，不需要模具开发、铸造、锻造、挤压、轧制和机械加工等复杂的加工工序便可以快速地完成结构复杂的零部件的制造，并且加工余量小，原材料浪费少。
3)本发明增材制造的铜铁合金材料致密度为95～98％，屈服强度320～410MPa，抗拉强度为400～460MPa，延伸率16～25％，导电率为55～70％IACS，特别适用于制备形状复杂的电器部件、电子产品部件等。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
铜铁合金由以下成分组成Fe：5.0wt％、La：0.8wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，杂质含量≤0.01wt％。增材制造的铜铁合金的制备包括以下制备步骤：
1)气雾化法制取铜铁合金粉末；
按照铜铁合金材料的组分配比进行称料，将电解Cu、Fe、Cu-La中间合金分别加入电磁感应熔炼炉中熔炼，熔炼温度为1200℃，氩气保护，待金属液完全融化后，将金属液接在雾化喷嘴之上以6.0kg/min的速度流出，与雾化喷嘴的高速气流相遇，气压为4.0MPa，雾化为细小液滴，然后快速凝固为细小的铜铁合金金属粉末。对制得的铜铁合金粉末进行筛分处理，筛选出尺寸在35～65um的金属粉末放入150℃的真空干燥箱内备用。
2)选区激光熔化法制备铜铁合金材料。
将铜铁合金粉末置于SLM增材制造机的粉缸中，氩气气体保护，且氧含量的体积比＜0.1％，工艺条件为：激光功率470W，光斑直径0.07mm，扫描速度6m/s，扫描间距0.05mm，铺粉层厚度0.02mm。
该铜铁合金的致密度96％，屈服强度320MPa，抗拉强度为415MPa，延伸率25％，导电率为70％IACS，晶粒度为45μm。
实施例2：
铜铁合金由以下成分组成Fe：5.8wt％、Ce：0.8wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，杂质含量≤0.01wt％。增材制造的铜铁合金的制备包括以下制备步骤：
1)气雾化法制取铜铁合金粉末；
按照铜铁合金材料的组分配比进行称料，将电解Cu、Fe、Cu-Ce中间合金分别加入电磁感应熔炼炉中熔炼，熔炼温度为1300℃，氩气保护，待金属液完全融化后，将金属液接在雾化喷嘴之上以5.0kg/min的速度流出，与雾化喷嘴的高速气流相遇，气压为5.0MPa，雾化为细小液滴，然后快速凝固为细小的铜铁合金金属粉末。对制得的铜铁合金粉末进行筛分处理，筛选出尺寸在35～65um的金属粉末放入100℃的真空干燥箱内备用。
2)选区激光熔化法制备铜铁合金材料。
将铜铁合金粉末置于SLM增材制造机的粉缸中，氩气气体保护，且氧含量的体积比＜0.1％，工艺条件为：激光功率500W，光斑直径0.08mm，扫描速度10m/s，扫描间距0.10mm，铺粉层厚度0.05mm。
该铜铁合金的致密度95％，屈服强度329MPa，抗拉强度为400MPa，延伸率23％，导电率为68％IACS，晶粒度为50μm。
实施例3：
铜铁合金由以下成分组成Fe：6.2wt％、Ce：1.0wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，杂质含量≤0.01wt％。增材制造的铜铁合金的制备包括以下制备步骤：
1)气雾化法制取铜铁合金粉末；
按照铜铁合金材料的组分配比进行称料，将电解Cu、Fe、Cu-Ce中间合金分别加入电磁感应熔炼炉中熔炼，熔炼温度为1300℃，氩气保护，待金属液完全融化后，将金属液接在雾化喷嘴之上以8.0kg/min的速度流出，与雾化喷嘴的高速气流相遇，气压为5.0MPa，雾化为细小液滴，然后快速凝固为细小的铜铁合金金属粉末。对制得的铜铁合金粉末进行筛分处理，筛选出尺寸在35～65um的金属粉末放入120℃的真空干燥箱内备用。
2)选区激光熔化法制备铜铁合金材料。
将铜铁合金粉末置于SLM增材制造机的粉缸中，氩气气体保护，且氧含量的体积比＜0.1％，工艺条件为：激光功率480W，光斑直径0.09mm，扫描速度8m/s，扫描间距0.16mm，铺粉层厚度0.05mm。
该铜铁合金的致密度97.5％，屈服强度340MPa，抗拉强度为432MPa，延伸率20％，导电率为62％IACS，晶粒度为40μm。
实施例4：
铜铁合金由以下成分组成Fe：7.0wt％、Ce：1.5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，杂质含量≤0.01wt％。增材制造的铜铁合金的制备包括以下制备步骤：
1)气雾化法制取铜铁合金粉末；
按照铜铁合金材料的组分配比进行称料，将电解Cu、Fe、Cu-Ce中间合金分别加入电磁感应熔炼炉中熔炼，熔炼温度为1350℃，氩气保护，待金属液完全融化后，将金属液接在雾化喷嘴之上以8.0kg/min的速度流出，与雾化喷嘴的高速气流相遇，气压为5.0MPa，雾化为细小液滴，然后快速凝固为细小的铜铁合金金属粉末。对制得的铜铁合金粉末进行筛分处理，筛选出尺寸在35～65um的金属粉末放入150℃的真空干燥箱内备用。
2)选区激光熔化法制备铜铁合金材料。
将铜铁合金粉末置于SLM增材制造机的粉缸中，氩气气体保护，且氧含量的体积比＜0.1％，工艺条件为：激光功率480W，光斑直径0.06mm，扫描速度10m/s，扫描间距0.16mm，铺粉层厚度0.02mm。
该铜铁合金的致密度96％，屈服强度380MPa，抗拉强度为451MPa，延伸率18％，导电率为60％IACS，晶粒度为45μm。
实施例5：
铜铁合金由以下成分组成，Fe：7.5wt％、Y：1.2wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，杂质含量≤0.01wt％。增材制造的铜铁合金的制备包括以下制备步骤：
1)气雾化法制取铜铁合金粉末；
按照铜铁合金材料的组分配比进行称料，将电解Cu、Fe、Cu-Y中间合金分别加入电磁感应熔炼炉中熔炼，熔炼温度为1350℃，氩气保护，待金属液完全融化后，将金属液接在雾化喷嘴之上以6.0kg/min的速度流出，与雾化喷嘴的高速气流相遇，气压为4.8MPa，雾化为细小液滴，然后快速凝固为细小的铜铁合金金属粉末。对制得的铜铁合金粉末进行筛分处理，筛选出尺寸在35～65um的金属粉末放入150℃的真空干燥箱内备用。
2)选区激光熔化法制备铜铁合金材料。
将铜铁合金粉末置于SLM增材制造机的粉缸中，氩气气体保护，且氧含量的体积比＜0.1％，工艺条件为：激光功率500W，光斑直径0.10mm，扫描速度10m/s，扫描间距0.06mm，铺粉层厚度0.03mm。
该铜铁合金的致密度98％，屈服强度400MPa，抗拉强度为455MPa，延伸率16％，导电率为55％IACS，晶粒度为50μm。
实施例6：
铜铁合金由以下成分组成，Fe：8.0wt％、La：1.0wt％、Ce：0.3wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，杂质含量≤0.01wt.％。增材制造的铜铁合金的制备包括以下制备步骤：
1)气雾化法制取铜铁合金粉末；
按照铜铁合金材料的组分配比进行称料，将电解Cu、Fe、Cu-La中间合金、Cu-Ce中间合金分别加入电磁感应熔炼炉中熔炼，熔炼温度为1350℃，氩气保护，待金属液完全融化后，将金属液接在雾化喷嘴之上以8.0kg/min的速度流出，与雾化喷嘴的高速气流相遇，气压为5MPa，雾化为细小液滴，然后快速凝固为细小的铜铁合金金属粉末。对制得的铜铁合金粉末进行筛分处理，筛选出尺寸在35～65um的金属粉末放入150℃的真空干燥箱内备用。
2)选区激光熔化法制备铜铁合金材料。
将铜铁合金粉末置于SLM增材制造机的粉缸中，氩气气体保护，且氧含量的体积比＜0.1％，工艺条件为：激光功率500W，光斑直径0.06mm，扫描速度6m/s，扫描间距0.08mm，铺粉层厚度0.02mm。
该铜铁合金的致密度96.8％，屈服强度410MPa，抗拉强度为460MPa，延伸率16.8％，导电率为55％IACS，晶粒度为45μm。

Claims (8)

1.一种增材制造的铜铁合金的制备方法，其特征在于该铜铁合金的质量百分比组成为Fe：5.0～8.0wt％，RE：0.8～1.5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，杂质含量≤0.01wt％；该铜铁合金包括以下制备步骤：1)气雾化法制取铜铁合金粉末；2)选区激光熔化法制备铜铁合金材料；
制备得到的铜铁合金的抗拉强度为400～460MPa，屈服强度为320～410MPa，延伸率为16～25％，导电率为55～70％IACS。
2.根据权利要求1所述的增材制造的铜铁合金的制备方法，其特征在于：所述RE选自轻稀土中的一种或多种；或者所述RE选自重稀土中的一种或者多种。
3.根据权利要求2所述的增材制造的铜铁合金的制备方法，其特征在于：所述RE为轻稀土中的La和Ce。
4.根据权利要求1所述的增材制造的铜铁合金的制备方法，其特征在于：所述铜铁合金的致密度为95～98％。
5.根据权利要求1所述的增材制造的铜铁合金的制备方法，其特征在于：所述铜铁合金的晶粒度≤50μm。
6.根据权利要求1所述的增材制造的铜铁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤1)的工艺为：按照铜铁合金材料的组分配比进行称料，将电解Cu、Fe、Cu-RE中间合金分别加入电磁感应熔炼炉中熔炼，熔炼温度为1200～1350℃，惰性气体保护，待金属液完全融化后，将金属液通过雾化喷嘴以5.0～8.0kg/min的速度流出，雾化喷嘴内的气压为4.0～5.0MPa，雾化的金属液滴快速凝固形成铜铁合金粉末。
7.根据权利要求6所述的增材制造的铜铁合金的制备方法，其特征在于：筛选出尺寸在35～65μm的铜铁合金粉末，将铜铁合金粉末放入100～150℃的真空干燥箱内备用。
8.根据权利要求1所述的增材制造的铜铁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中：将铜铁合金粉末置于选区激光熔化增材制造机的粉缸中，惰性气体保护，且氧含量的体积比＜0.1％，选区激光熔化法的工艺条件为：激光功率450～500W，光斑直径0.06～0.1mm，扫描速度6～10m/s，扫描间距0.05～0.16mm，铺粉层厚度0.02～0.05mm。
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