一种SLM式3D打印CuFe合金的制备方法
技术领域
本发明涉及有色金属材料制造技术领域，具体是涉及一种SLM式3D打印CuFe合金的制备方法。
背景技术
铜铁合金属于亚稳难混溶合金，当少量弥散相分布于基体时，该合金会表现出特殊的物理和力学性能，该系合金因成本低廉、原材料丰富以及巨大的磁阻效应，在航空汽车和电子工业领域中具有良好的应用前景。低铁含量的铜铁合金板线材，被广泛应用于制备电器工程开关电桥、大规模集成电路引线框架、电阻焊电极等，随着铁含量的逐渐增加，铜铁合金板线材具有优异的磁阻效应，因此被广泛应用于电磁波屏蔽材料。
专利CN108456799A公布了一种高性能铜铁合金材料及其电渣重熔制备方法，该专利是采用真空感应炉熔炼的铜铁合金铸锭作为自耗电极，采用CaF2-NaF渣系作为渣料，使用电渣重熔的方式制备铜铁合金。这种加工方式加工的铜铁合金对Fe含量有很大限制，并且加工工艺复杂，需要较多的冷加工和热处理；专利CN109576516A公布了一种电磁波屏蔽用铜铁合金板线材短流程的制备方法，具体做法是选用一定配比的铜铁合金材料制成熔体之后再喷射沉积，获得优良的铜铁合金带材。该方式同样对铁含量有很大限制，成型材料范围窄，并且操作要求非常高，不易推广使用。
铜铁合金板线材传统的制备方式为，熔铸成锭坯，然后通过挤压、轧制、拉拔等塑性变形方式加工成各种尺寸与规格的板材或线材，对于Fe含量低于30％的Cu-Fe合金，可以采用传统的方法制备，但对于铁含量达30～60％的电磁波屏蔽用Cu-Fe合金，采用该方法存在以下问题：由于较高的Fe含量，其极易宏观偏析，使得熔铸与加工难度很大，锭坯制作的成功率较低；随着Fe含量增加，合金的变形抗力增加迅速，加工过程中极易开裂，不得不增加变形次数来达到变形效果，这增加了制备流程，降低了生产效率，增加了制备成本。
发明内容
本发明针对上述存在的问题提供了一种SLM式3D打印CuFe合金的制备方法。
本发明的技术方案是：一种SLM式3D打印CuFe合金的制备方法，包括以下步骤：
S1配料：按照CuFe合金材料成分要求，对Cu粉和Fe粉进行配比，其中气雾化Cu粉的质量百分比为20-60wt%，余量为Fe粉，选择并称取相应的原料，将称量好的Cu粉和Fe粉装入气氛保护的球磨机中，抽真空至小于10-1Pa，再充入氢气至0.8MPa，球磨1-5h；
S2 SLM3D打印：将混合好的CuFe粉装入3D打印设备粉仓中，并按照计算机生成的零件三维模型进行加工，加工方式为SLM选区激光熔化，在不锈钢基板上铺粉后使用激光束进行选区扫描；
S3线切割：将打印好的工件使用线切割的方式进行脱样；
S4热处理：脱样后的工件进行热处理；
S5机加工处理：热处理后的工件按成品尺寸进行表面机加工处理，达到设计最终要求表面粗糙度及精度即可；
其中，所述步骤S2的铺粉具体步骤包括：
S2-1：在不锈钢基板上环绕放置若干可升降的打印平台，各个打印平台等间距设置，且打印平台的底部依次相连构成一个完整的环形，调节铺粉装置的位置使其位于第一个放置的打印平台后侧，调节扫描头的位置使其位于铺粉装置后侧；
S2-2：开启铺粉装置，使其从第一个放置的打印平台开始沿所有打印平台围成的圆做圆周运动，完成对各个打印区域的铺粉，同时扫描头跟随铺粉装置同步启动，沿制定好的打印路线开始完成每个打印平台的一次扫描；
S2-3：每当扫描头完成一个打印平台的一次扫描时，所完成的打印平台下降对应的铺粉层高，直至所有的打印平台均完成一次扫描，铺粉装置和扫描头运动一周后回到初始位置并不间断地完成第二次铺粉扫描，如此往复直至完成各打印平台上的铺粉打印。每两个打印平台的间隙处设有固定在两个打印平台下方的余料槽，余料槽内设有与余料槽等宽的毛刷，余料槽内两侧设有滑槽，滑槽内设有内置电机，用于使毛刷做往复运动，不锈钢基板上设有环形的回料槽，当铺粉装置掠过对应余料槽时，余料槽内的毛刷自内向外运动使余料槽内的粉料推送至回料槽内，毛刷由内置电机抬升2cm后反方向运动回到推送前的位置，完成一次粉料推送，将回料槽一端与铺粉装置连接，用于将收集到的粉料回填至铺粉装置内回收再利用，降低打印成本。
进一步地，所述混合粉中的Cu粉为气雾化Cu粉。
更进一步地，所述气雾化铜粉的粉末粒度要求为20-50μm，Fe的粉末粒度要求为30-55μm，粉体的球形度要求大于80%，避免因粒度球形度不符合规范对后期合金的性能造成影响，球料比控制在1:2-1:5，更易混合充分。
进一步地，所述步骤S2中扫描过程保护气使用氩气，设备打印环境为正压；成型室压力一般为14-20mbar；成型室氧含量≤0.04%；滤芯压差＜9mbar；激光光斑直径为0.04mm-0.06mm，打印单层厚度为0.02-0.06mm；打印使用功率为90-160W；扫描速度为200-350m/s。
进一步地，所述步骤S3线切割的具体步骤包括：
S3-1：将承载打印好的工件的不锈钢基板沿着最大面与线切割设备平台垂直的方向放置；
S3-2：使用夹具固定好基板后开始对刀，切割线与基板大平面的距离通过电脑控制至小于0.3mm；
S3-3：在零件正下方放置承接工件的泡沫盒，开始线切割，相比最大面与设备平台平行放置的优点是可以避免切割过程中零件迫于自重下垂造成夹丝卡停。
进一步地，所述步骤S4热处理为去应力热处理，其具体步骤包括：
S4-1：根据工件尺寸选取合适的石墨料舟，将脱样后的工件有序留间距放入，再将石墨料舟推入试验炉，充入氩气制造氩气气氛保护环境；
S4-2：在升温速度为200-240℃/h下升温至300-500℃，随后在升温速度为250-280℃/h下继续加热至700-800℃，保温时间1-2h，随后在升温速度为180-220℃/h下加热至980-1100℃，保温时间3-5h；
S4-3：以200-400℃/h的降温速度冷却至室温取出。能够有效去除应力，增加CuFe合金的硬度和强度。
本发明的有益效果是：
（1）本发明中的CuFe合金加工方式不受铁含量的限制，可以加工较大铁含量的CuFe合金，可以直接加工成品或者半成品毛坯，毛坯规格可以根据工件外观进行优化，且加工方式简单易推广，且具有成分范围广、加工周期短、毛坯可优化等优点，解决了市场上高Fe含量的CuFe合金难以加工的问题；
（2）加工出的合金材料成分均匀、金相组织致密、热处理工艺简单，因为无宏观偏析，所以热处理后的加工性能良好，电导率可以达到40%以上，软化温度在800-1000℃，尺寸形状没有限制，并且，这种方式加工的合金零件具有极好的导热性，还有巨大的磁阻效应，在航空汽车和电子工业领域中具有良好的应用前景；
（3）设置了合理的铺粉方向和打印顺序，使铺粉装置与扫描头同步工作，节约了打印时间，提高打印效率，降低打印成本。
附图说明
图1是实施例一制备CuFe合金100倍金相组织照片；
图2是实施例二制备CuFe合金200倍金相组织照片；
图3是本发明的SLM式3D打印铺粉装置示意图；
图4是本发明的SLM式3D打印铺粉装置工作状态示意图；
图5是本发明CuFe合金制备方法的工艺流程图。
其中，1-不锈钢基板，2-打印平台，3-铺粉装置，4-扫描头，5-余料槽，6-毛刷，7-回料槽。
具体实施方式
实施例一
如图5所示，一种SLM式3D打印CuFe合金制备方法，包括以下步骤：
S1配料：按照所述CuFe合金材料成分要求，选取气雾化Cu粉：60wt%，粒度40μm；Fe粉：40wt%，粒度50μm；将称量好的气雾化Cu粉和Fe粉装入气氛保护的球磨机中，抽真空至小于10-1Pa，再充入氢气至0.8MPa；然后开始球磨，球料比为1：5，球磨时间5h，球形度为95%。
S2 SLM3D打印：将混合好的CuFe粉装入3D打印设备粉仓中，并使用冰铲捣实备用，通过计算机准备所需工件的三维模型，工件为机械零件，将所述3D打印机与计算机相连，并按照所述三维模型加工，加工方式为SLM选区激光熔化，首先在不锈钢基板1上环绕放置8个可升降的打印平台2，8个打印平台2等间距设置，且打印平台2的底部依次相连构成一个完整的环形，调节铺粉装置3的位置使其位于第一个放置的打印平台2一侧，调节扫描头4的位置使其位于铺粉装置3后侧；然后开启铺粉装置3，使其从第一个放置的打印平台2开始沿所有打印平台2围成的圆做圆周运动，完成对各个打印区域的铺粉，同时扫描头4跟随铺粉装置3同步启动，沿制定好的打印路线开始扫描第一打印平台上部，扫描完成后回折一次开始扫描第一打印平台中部，扫描完成后再回折一次开始扫描第一打印平台下部，如此反复回折完成每个打印平台的一次扫描；最后每当扫描头4完成一个打印平台2的一次扫描时，所完成的打印平台2下降对应的铺粉层高，直至所有的打印平台2均完成一次扫描，铺粉装置3和扫描头4运动一周后回到初始位置并不间断地完成第二次铺粉扫描，如此往复直至完成各打印平台2上的铺粉打印。
如图3-4所示，每两个打印平台2的间隙处设有固定在两个打印平台2下方的余料槽5，余料槽5内设有与余料槽5等宽的毛刷6，余料槽5内两侧设有滑槽，滑槽内设有电机，用于使毛刷6做往复运动及抬升，不锈钢基板1上设有环形的回料槽7，当铺粉装置3掠过对应余料槽5时，余料槽5内的毛刷6自内向外运动使余料槽5内的粉料推送至回料槽7内，毛刷6由内置电机抬升2cm后反方向运动回到推送前的位置，完成一次粉料推送，将回料槽7一端与铺粉装置3连接，用于将收集到的粉料回填至铺粉装置3内回收再利用。
扫描过程保护气使用氩气，设备打印环境为正压，成型室压力为14mbar，成型室氧含量0.03%，滤芯压差7mbar，激光光斑直径为0.05mm，打印单层厚度为0.02mm，打印使用功率为90W，扫描速度为200m/s。
S3线切割：将打印好的零件使用线切割的方式进行脱样，首先将承载打印好的零件的不锈钢基板1沿着最大面与线切割设备平台垂直的方向放置；然后使用夹具固定好基板后开始对刀，切割线与基板大平面的距离通过电脑控制至小于0.3mm；最后在零件正下方放置承接零件的泡沫盒，开始线切割。
S4热处理：脱样后的零件进行氩气气氛保护环境热处理，首先根据零件尺寸选取合适的石墨料舟，将脱样后的工件有序留间距放入，再将石墨料舟推入试验炉；锁炉开机械泵抽真空至5Pa，开启罗茨泵抽真空至5x10-3Pa，充入氩气气氛保护，然后在升温速度为200℃/h下升温至300℃，随后在升温速度为250℃/h下继续加热至800℃，保温时间1h，随后在升温速度为180℃/h下加热至1000℃，保温时间3h；最后以200℃/h的降温速度冷却至室温取出。
S5机加工处理：热处理后的零件按成品尺寸进行表面机加工处理，达到设计最终要求表面粗糙度及精度即可。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：
S1配料：按照所述CuFe合金材料成分要求，选取气雾化Cu粉：35wt%，Fe粉：65wt%。
实施例三
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：
S1配料：按照所述CuFe合金材料成分要求，选取气雾化Cu粉：20wt%，Fe粉：80wt%。
实施例四
本实施例与实施例二基本相同，不同之处在于：
S4热处理：在升温速度为240℃/h下升温至500℃，随后在升温速度为280℃/h下继续加热至700℃，保温时间2h，随后在升温速度为220℃/h下加热至1100℃，保温时间5h；最后以400℃/h的降温速度冷却至室温取出。
实施例五
本实施例与实施例二基本相同，不同之处在于：
S4热处理：在升温速度为220℃/h下升温至300℃，随后在升温速度为260℃/h下继续加热至700℃，保温时间1h，随后在升温速度为200℃/h下加热至950℃，保温时间3h；最后以300℃/h的降温速度冷却至室温取出。
实验例
1、利用实施例一至五中制备的CuFe合金材料进行相关性能参数实验，测试方法如下所示：
根据GB/T 230.1-2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》标准测试CuFe合金材料的硬度，采用50公斤载荷将磨平的试样放于工作台上调焦距打压痕读出对角线长度得到硬度值。
根据GB/T 11007-2008《电导率仪试验方法》用FQR7501涡流电导仪测试CuFe合金材料的电导率。
测试结果如表1所示：
表1 实施例一至五中制备的CuFe合金材料相关性能参数表
从表1可以看出：
对比实施例一至三可知在工艺步骤相同改变Cu、Fe成分含量的条件下实施例2的参数更优所得到的CuFe合金材料的硬度和电导率均优于实施例一和实施例三。
对比实施例二和实施例四、实施例五在Cu、Fe成分含量相同的条件下改变热处理的温度，可以发现实施例四中CuFe合金材料的硬度明显优于实施例二，但电导率略低于实施例二；实施例五中CuFe合金材料的硬度明显低于实施例二，电导率与实施例二相同，说明热处理的温度和时间对硬度影响较大，对电导率影响较小，随着热处理的温度越高时间越长CuFe合金材料的硬度越高。
2、选取实施例二中制备的CuFe合金进行金相检测，检测结果如图1和图2所示，说明：
1）铜铁完全融化，实现充分互溶，保证了成分的均匀性；
2）金相组织致密，没有明显的晶界，保证了材料各部分性能的一致性和稳定性；
3）200倍下只有少数细小盲孔，表明此种加工方式大大优化了材料特性。
