CN112935471B - 一种铜/钢复合梯度材料零件及其制备方法 - Google Patents

一种铜/钢复合梯度材料零件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，具体操作步骤为：步骤1：对基板表面进行机械清理，去除表面杂质、油污；步骤2：设计并选用合理的钢侧用焊丝、过渡层用焊丝及铜侧用焊丝；步骤3：选用熔化极气体保护焊完成铜/钢复合结构的增材制造，并对增材件进行热处理，随炉冷却。该制备方法，解决增材制造过程中熄弧出熔池塌陷问题，提高增材件的质量。还提供一种铜/钢复合梯度材料零件，由上述一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法制备得到。

Description

一种铜/钢复合梯度材料零件及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制造领域，具体涉及一种铜/钢复合梯度材料零件，还提供了该种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法。
背景技术
随着现代工业制造技术的快速发展，对结构件的性能提出了更高的要求，单一材料的结构已然无法满足尖端领域的要求，因此，结构件的发展逐渐趋向于多功能化。铜由于其良好的导电性、导热性以及耐磨性，被广泛应用于电子、核电、航天等领域。但由于有色金属价格昂贵，不利于企业的成本控制。因此，必须优化零件结构，降低有色金属的使用量。工业上常利用铜/钢复合件代替单一材料的结构，弥补企业成本控制方面的不足。另一方面，也可以提高结构件的强度，使两种材料的性能都得到充分的发挥。目前，对于较为小型复杂的铜/钢复合件的制造常以增材制造为主，但因增材工艺以及过渡材料的研究还不够成熟，导致结构件的成型效果、力学性能都达不到工况要求。
因此，本发明将以电弧增材技术为基本手段，设计合理的药芯焊丝及过渡材料，并优化现有的增材路径，从而提高零件的成型质量及力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，解决增材制造过程中熄弧出熔池塌陷问题，提高增材件的质量。
本发明的第二个目的是提供一种铜/钢复合梯度材料零件。
本发明所采用的技术方案是，一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：对基板表面进行机械清理，去除表面杂质、油污；
步骤2：设计并选用合理的钢侧用焊丝、过渡层用焊丝及铜侧用焊丝；
步骤3：选用熔化极气体保护焊完成铜/钢复合结构的增材制造，并对增材件进行热处理，随炉冷却。
本发明的特征还在于，
步骤1中，基板材料为Q345B。
步骤2中，(1)钢侧用焊丝选用Φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝；(2)过渡用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：68～78％Ni，0.5～1％Mn，0.8～1.5％Si，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；(3)铜侧用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：6～9％Ni，15～18％Al，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤3中，增材制造采用钢侧-过渡层-铜侧的增材顺序进行制造，其中，使用钢侧用焊丝为原料在钢侧沉积10～13层，然后使用过渡层用焊丝为原料1～2层，使用铜侧用焊丝为原料在铜侧沉积10～13层。
步骤3中，增材工艺参数具体为：①钢侧：焊接电流为180～215A，电压为20～25V，焊丝伸出长度10～15mm，焊接速度5～8mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15～20L/min；②过渡层及铜侧：焊接电流为220～260A，电压为23～27V，焊丝伸出长度10～15mm，焊接速度4～6mm/s，保护气体选用体积分数为99.99％的纯氩气，气体流量为15～20L/min。
步骤3中，热处理的工艺条件为：保温温度400～450℃，保温时间30～50min。
本发明所采用的第二个技术方案是，一种铜/钢复合梯度材料零件，由上述一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法制备得到。
本发明的有益效果是：
(1)本发明一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法利用电弧增材的方式，可以较容易的实现复杂零件的制备。
(2)Ni对铜和钢都具有良好的亲和力。因此，过渡材料中引入大量的Ni元素，能够使铜/钢复合界面实现良好的冶金结合，提高增材件的力学性能。
(3)本发明一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，采用层间往复式增材方法，可以弥补收弧处的塌陷现象，尽可能实现起弧点与熄弧点的高度一致，降低高度差，提高增材件的成型质量。
(4)本发明一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，对增材件进行整体热处理，有利于防止热裂纹、渗透裂纹的产生。
附图说明
图1为实施例3所制备的一种铜/钢复合梯度材料零件的照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：对基板表面进行机械清理，去除表面杂质、油污；
步骤1中，基板材料为Q345B，其规格为：长×宽×厚＝300×200×5(mm)；
步骤2：设计并选用合理的钢侧用焊丝、过渡层用焊丝及铜侧用焊丝；步骤2中，(1)钢侧用焊丝选用Φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝；(2)过渡用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：68～78％Ni，0.5～1％Mn，0.8～1.5％Si，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；(3)铜侧用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：6～9％Ni，15～18％Al，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；过渡用焊丝及铜侧用焊丝药芯焊丝拔丝机制成。
步骤3：选用熔化极气体保护焊(GMAW)完成铜/钢复合结构的增材制造，并对增材件进行热处理，随炉冷却。
步骤3中，增材路径设计为层间往复式，即后一道沉积层的起弧点为前一道的熄弧点；增材制造采用钢侧-过渡层-铜侧的增材顺序进行制造，其中，使用钢侧用焊丝为原料在钢侧沉积10～13层，然后使用过渡层用焊丝为原料1～2层，使用铜侧用焊丝为原料在铜侧沉积10～13层。
步骤3中，增材工艺参数具体为：①钢侧：焊接电流为180～215A，电压为20～25V，焊丝伸出长度10～15mm，焊接速度5～8mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15～20L/min；②过渡层及铜侧：焊接电流为220～260A，电压为23～27V，焊丝伸出长度10～15mm，焊接速度4～6mm/s，保护气体选用体积分数为99.99％的纯氩气，气体流量为15～20L/min。
步骤3中，热处理的工艺条件为：保温温度400～450℃，保温时间30～50min。
本发明还提供一种铜/钢复合梯度材料零件，由上述一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法制备得到。
实施例1
一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：对基板表面进行机械清理，去除表面杂质、油污；
步骤1中，基板材料为Q345B，其规格为：长×宽×厚＝300×200×5(mm)；
步骤2：设计并选用合理的钢侧用焊丝、过渡层用焊丝及铜侧用焊丝；步骤2中，(1)钢侧用焊丝选用Φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝；(2)过渡用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：68％Ni，0.5％Mn，0.8％Si，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；(3)铜侧用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：6％Ni，15％Al，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；过渡用焊丝及铜侧用焊丝药芯焊丝拔丝机制成。
步骤3：选用熔化极气体保护焊(GMAW)完成铜/钢复合结构的增材制造，并对增材件进行热处理，随炉冷却。
步骤3中，增材路径设计为层间往复式，即后一道沉积层的起弧点为前一道的熄弧点；增材制造采用钢侧-过渡层-铜侧的增材顺序进行制造，其中，使用钢侧用焊丝为原料在钢侧沉积10层，然后使用过渡层用焊丝为原料1层，使用铜侧用焊丝为原料在铜侧沉积10层。
步骤3中，增材工艺参数具体为：①钢侧：焊接电流为180A，电压为20V，焊丝伸出长度10mm，焊接速度5mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15L/min；②过渡层及铜侧：焊接电流为220A，电压为23V，焊丝伸出长度10mm，焊接速度4mm/s，保护气体选用体积分数为99.99％的纯氩气，气体流量为15L/min。
步骤3中，热处理的工艺条件为：保温温度400℃，保温时间30min。
实施例1中采用一种铜/钢复合梯度材料的制备及其路径优化方法制备的墙壁结构件，经测量和力学性能检测，发现其两端高度差h为8mm，塌陷问题有一定程度的好转，抗拉强度为325Mpa。
实施例2
一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：对基板表面进行机械清理，去除表面杂质、油污；
步骤1中，基板材料为Q345B，其规格为：长×宽×厚＝300×200×5(mm)；
步骤2：设计并选用合理的钢侧用焊丝、过渡层用焊丝及铜侧用焊丝；步骤2中，(1)钢侧用焊丝选用Φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝；(2)过渡用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：78％Ni，1％Mn，1.5％Si，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；(3)铜侧用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：9％Ni，18％Al，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；过渡用焊丝及铜侧用焊丝药芯焊丝拔丝机制成。
步骤3：选用熔化极气体保护焊(GMAW)完成铜/钢复合结构的增材制造，并对增材件进行热处理，随炉冷却。
步骤3中，增材路径设计为层间往复式，即后一道沉积层的起弧点为前一道的熄弧点；增材制造采用钢侧-过渡层-铜侧的增材顺序进行制造，其中，使用钢侧用焊丝为原料在钢侧沉积13层，然后使用过渡层用焊丝为原料2层，使用铜侧用焊丝为原料在铜侧沉积13层。
步骤3中，增材工艺参数具体为：①钢侧：焊接电流为190A，电压为22.5V，焊丝伸出长度11mm，焊接速度5.5mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量16L/min；②过渡层及铜侧：焊接电流为230A，电压为24V，焊丝伸出长度11mm，焊接速度4.5mm/s，保护气体选用体积分数为99.99％的纯氩气，气体流量为16L/min。
步骤3中，热处理的工艺条件为：保温温度450℃，保温时间50min。
实施例2中采用一种铜/钢复合梯度材料的制备及其路径优化方法制备的墙壁结构件，经测量和力学性能检测，发现其两端高度差h为6mm，塌陷问题有一定程度的好转，抗拉强度为317Mpa。
实施例3
一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：对基板表面进行机械清理，去除表面杂质、油污；
步骤1中，基板材料为Q345B，其规格为：长×宽×厚＝300×200×5(mm)；
步骤2：设计并选用合理的钢侧用焊丝、过渡层用焊丝及铜侧用焊丝；步骤2中，(1)钢侧用焊丝选用Φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝；(2)过渡用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：70％Ni，0.6％Mn，1.0％Si，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；(3)铜侧用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：7％Ni，16％Al，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；过渡用焊丝及铜侧用焊丝药芯焊丝拔丝机制成。
步骤3：选用熔化极气体保护焊(GMAW)完成铜/钢复合结构的增材制造，并对增材件进行热处理，随炉冷却。
步骤3中，增材路径设计为层间往复式，即后一道沉积层的起弧点为前一道的熄弧点；增材制造采用钢侧-过渡层-铜侧的增材顺序进行制造，其中，使用钢侧用焊丝为原料在钢侧沉积11层，然后使用过渡层用焊丝为原料2层，使用铜侧用焊丝为原料在铜侧沉积11层。
步骤3中，增材工艺参数具体为：①钢侧：焊接电流为200A，电压为23V，焊丝伸出长度12mm，焊接速度6mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量17L/min；②过渡层及铜侧：焊接电流为245A，电压为25V，焊丝伸出长度12mm，焊接速度5mm/s，保护气体选用体积分数为99.99％的纯氩气，气体流量为17L/min。
步骤3中，热处理的工艺条件为：保温温度420℃，保温时间40min。
实施例3中采用一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法制备的墙壁结构件，其成型件如图1所示，经测量和力学性能检测，发现其两端高度差h为2mm，表面成型良好，且抗拉强度为355Mpa。表明采用该制备方法，可以很大程度地提高增材件的成型质量和结构强度。
实施例4
一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：对基板表面进行机械清理，去除表面杂质、油污；
步骤1中，基板材料为Q345B，其规格为：长×宽×厚＝300×200×5(mm)；
步骤2：设计并选用合理的钢侧用焊丝、过渡层用焊丝及铜侧用焊丝；步骤2中，(1)钢侧用焊丝选用Φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝；(2)过渡用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：72％Ni，0.6％Mn，1.2％Si，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；(3)铜侧用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：8％Ni，16％Al，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；过渡用焊丝及铜侧用焊丝药芯焊丝拔丝机制成。
步骤3：选用熔化极气体保护焊(GMAW)完成铜/钢复合结构的增材制造，并对增材件进行热处理，随炉冷却。
步骤3中，增材路径设计为层间往复式，即后一道沉积层的起弧点为前一道的熄弧点；增材制造采用钢侧-过渡层-铜侧的增材顺序进行制造，其中，使用钢侧用焊丝为原料在钢侧沉积10层，然后使用过渡层用焊丝为原料2层，使用铜侧用焊丝为原料在铜侧沉积13层。
步骤3中，增材工艺参数具体为：①钢侧：焊接电流为205A，电压为24V，焊丝伸出长度14mm，焊接速度7.5mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量18L/min；②过渡层及铜侧：焊接电流为250A，电压为26V，焊丝伸出长度14mm，焊接速度5.5mm/s，保护气体选用体积分数为99.99％的纯氩气，气体流量为18L/min。
步骤3中，热处理的工艺条件为：保温温度450℃，保温时间30min。
实施例4中采用一种铜/钢复合梯度材料的制备及其路径优化方法制备的墙壁结构件，经测量和力学性能检测，发现其两端高度差h为4mm，塌陷问题有一定程度的好转，抗拉强度为335Mpa。
实施例5
一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：对基板表面进行机械清理，去除表面杂质、油污；
步骤1中，基板材料为Q345B，其规格为：长×宽×厚＝300×200×5(mm)；
步骤2：设计并选用合理的钢侧用焊丝、过渡层用焊丝及铜侧用焊丝；步骤2中，(1)钢侧用焊丝选用Φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝；(2)过渡用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：68％Ni，1％Mn，1.5％Si，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；(3)铜侧用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：6％Ni，15％Al，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；过渡用焊丝及铜侧用焊丝药芯焊丝拔丝机制成。
步骤3：选用熔化极气体保护焊(GMAW)完成铜/钢复合结构的增材制造，并对增材件进行热处理，随炉冷却。
步骤3中，增材路径设计为层间往复式，即后一道沉积层的起弧点为前一道的熄弧点；增材制造采用钢侧-过渡层-铜侧的增材顺序进行制造，其中，使用钢侧用焊丝为原料在钢侧沉积13层，然后使用过渡层用焊丝为原料1层，使用铜侧用焊丝为原料在铜侧沉积10层。
步骤3中，增材工艺参数具体为：①钢侧：焊接电流为215A，电压为25V，焊丝伸出长度15mm，焊接速度8mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量20L/min；②过渡层及铜侧：焊接电流为260A，电压为27V，焊丝伸出长度15mm，焊接速度6mm/s，保护气体选用体积分数为99.99％的纯氩气，气体流量为20L/min。
步骤3中，热处理的工艺条件为：保温温度400～450℃，保温时间30～50min。
实施例5中采用一种铜/钢复合梯度材料的制备及其路径优化方法制备的墙壁结构件，经测量和力学性能检测，发现其两端高度差h为6mm，塌陷问题有一定程度的好转，抗拉强度为320Mpa。

Claims (4)

1.一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，其特征在于，具体操作步骤为：
步骤1：对基板表面进行机械清理，去除表面杂质、油污；
步骤1中，基板材料为Q345B；
步骤2：设计并选用合理的钢侧用焊丝、过渡层用焊丝及铜侧用焊丝；
步骤2中，(1)钢侧用焊丝选用Φ1.2mm的CHW50C6碳钢焊丝；(2)过渡用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：68～78％Ni，0.5～1％Mn，0.8～1.5％Si，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；(3)铜侧用焊丝选用Φ1.2mm的药芯焊丝，包括药芯和T2纯铜焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料粉末组成：6～9％Ni，15～18％Al，余量为Cu，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤3：选用熔化极气体保护焊完成铜/钢复合结构的增材制造，并对增材件进行热处理，随炉冷却；
步骤3中，增材制造采用钢侧-过渡层-铜侧的增材顺序进行制造，其中，使用钢侧用焊丝为原料在钢侧沉积10～13层，然后使用过渡层用焊丝为原料1～2层，使用铜侧用焊丝为原料在铜侧沉积10～13层。
2.根据权利要求1所述的一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，其特征在于，步骤3中，增材工艺参数具体为：①钢侧：焊接电流为180～215A，电压为20～25V，焊丝伸出长度10～15mm，焊接速度5～8mm/s，保护气体为：体积分数为90％Ar+体积分数为10％CO 2 的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％，气体流量15～20L/min；②过渡层及铜侧：焊接电流为220～260A，电压为23～27V，焊丝伸出长度10～15mm，焊接速度4～6mm/s，保护气体选用体积分数为99.99％的纯氩气，气体流量为15～20L/min。
3.根据权利要求1所述的一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法，其特征在于，步骤3中，热处理的工艺条件为：保温温度400～450℃，保温时间30～50min。
4.一种铜/钢复合梯度材料零件，其特征在于，由权利要求1-3任意一项的一种铜/钢复合梯度材料零件的制备方法制备得到。
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