專利名稱：鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法
技術領域：
本發明屬于用激光束加工零件的領域，涉及一種高溫構件的激光燒結快速成型方法。
背景技術：
金屬件快速成型(Rapid Prototyping-RP)制造技術是國內外研究的一個熱點，選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering-SLS)可以自動迅速地從三維CAD模型直接制得形狀復雜的金屬模具或零件原型，再采用特定的后處理工藝，可得到滿足要求的金屬件。一般制造工藝包括制備激光燒結的金屬粉末→激光逐層掃描燒結成型→后處理。金屬粉末通過激光燒結得到金屬的燒結件是低密度的多孔狀結構，再經后處理滲入第二相熔點較低的金屬后直接形成金屬零件或模具。在國內，激光燒結快速成型技術處于研究階段，對于采用難熔金屬粉末材料激光燒結快速成形高溫構件的方法，國內外尚無成熟的工藝。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，包括激光燒結成型。這種工藝方法具有可對設計方案進行靈活修改驗證，可縮短其研制周期，降低新產品研制成本等優點，可應用于制造兵器彈箭、航空武器等裝備的高溫構件和電子工業高電導散熱元件等。
本發明是通過以下技術方案來實現的一種鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，包括制備適合于激光燒結的金屬粉末，激光逐層掃描燒結成型，其工藝步驟為(1)難熔合金粉末包覆；(2)激光燒結成形；(3)脫脂及預燒結；(4)高溫燒結；(5)熔滲。
下面分步驟進一步加以說明(1)難熔合金粉末包覆。
選擇高純度鉬合金微粉FMo-1，按現有技術制得覆膜金屬鉬粉末材料。
(2)激光燒結成形。
用上述制得的覆膜金屬鉬粉作為成型材料，在點掃描激光燒結成型機上進行燒結成型。首先采用正交實驗設計方法獲得燒結成型工藝參數的最佳匹配為激光功率15W，掃描速度1000mm/s，鋪粉厚度0.10mm，粉末平均粒徑35μm，從而得到尺寸精度及表面質量均符合要求的金屬制件，即原型件。
(3)脫脂及預燒結。
激光燒結成型的金屬制件，其相對密度很低、機械性能很差，不能作為結構零件在工程中應用。因此，需要經過后處理來進一步提高其機械性能。原型件的后處理主要有脫脂及預燒結、高溫燒結和滲金屬三個階段。
脫脂及預燒結脫脂的目的就是在原型件不產生缺陷的情況下，在最短的時間內脫除粘結劑。由于SLS成型坯件中含有大量的粘結劑，當粘結劑脫除后，金屬粉只是靠摩擦力緊密靠在一起，所以成型件非常疏松、極易損壞，制品將變得非常脆弱。對完全脫脂而尚未燒結的制品進行處理是不可能的，通常將最后的部分脫脂與燒結結合起來，這個燒結溫度遠低于高溫燒結的溫度，所以我們把這個燒結稱為預燒結。
脫脂預燒結是在真空燒結爐中進行的。在脫脂過程中，由于有機樹脂的脫除會導致成型件內顆粒重排，這種重排極易引起原型件的變形。為了使成型件保持形狀，在脫脂與燒結過程中必須給成型件周圍加上支撐，一般支撐材料多選用石墨粉末。具體操作是將原型件放入密封的石墨坩堝內，在原型件的周圍填入石墨粉末作為支撐。對原型件進行脫脂不光要考慮聚合物的降解、氣化，還要考慮在降解的過程中，不能使原型件產生變形或破斷。因此，必須控制降解、氣化產生氣體的速度。控制降解速度可以通過兩個途徑，一是加熱速度，另一是加熱溫度。
脫脂加熱速度的確定把要進行預燒結的金屬成型件放入坩鍋里，并用石墨粉作支撐材料，密封好，然后把坩鍋放在真空爐里，抽真空到10-2Pa以下。實驗獲得脫脂的加熱臨界速度Vc的范圍應該為200℃/h≤Vc＜250℃/h，最佳脫脂加熱速度200℃/h。
脫脂加熱溫度的確定試驗步驟同上，以200℃/h升溫速度緩慢升溫，然后在設定溫度下進行保溫、脫脂，最后進行緩慢降溫。實驗獲得脫脂的臨界加熱溫度Tc的范圍應該在250℃～300℃之間，最佳脫脂加熱溫度為300℃。
脫脂保溫時間的確定在脫脂工藝中，除了加熱速度和加熱溫度外，脫脂保溫時間也是一個重要的參數。試驗步驟同上，以200℃/h升溫速度緩慢升溫至300℃，按設定時間保溫。試驗結果表明厚度相同面積不同的各制件充分脫脂所需要的保溫時間基本相同，也就是說充分脫脂的保溫時間與制件的面積基本無關，而只與制件的厚度有關系，一般保溫時間為2～3小時。
脫脂后進行的預燒結是單一金屬在固態下的燒結，燒結過程中不出現新的組成物和新相，也不發生凝聚狀態的改變(不出現液相)，稱作單元系燒結。經過多次實驗研究，最終獲得的最優化預燒結工藝及過程如下把脫脂后的金屬件在真空爐里繼續加熱，以200℃/h升溫速度緩慢升溫，升溫到1350℃后保溫3小時。預燒結是一個固態擴散過程，它使得金屬粉末顆粒間產生冶金結合，從而賦予燒結零件以需要的物理和機械性能。當溫度超過1100℃時，金屬顆粒發生部分相互熔合，填補了有機物揮發后留下的部分孔隙，但最終依然有一大部分會被保留下來，形成了疏松的骨架結構，這時的零件的密度和機械性能得到了一定的提高。預燒結完成后，工件和燒結爐以每小時200℃的冷卻速度冷卻到室溫，然后將工件小心取出。
(4)高溫燒結。
覆膜鉬粉激光燒結成型件經過脫脂、預燒結后，雖然大量孔隙在燒結過程中消除，但是成型件的機械性能仍然達不到能作為機械零件使用的要求，所以還必須對其進一步的后處理，即對成型件進行高溫燒結和滲銅處理。
一般的粉末冶金燒結通常在接近熔點溫度下進行，然而對于熔點高達2620℃的難熔金屬鉬來說，達到接近熔點的燒結溫度是難于實現的。所以，本發明對經過脫脂及預燒結后的覆膜鉬粉成型件，采用真空固相燒結和還原氣氛二步燒結的工藝。
真空固相燒結將經過預燒結后的成型件放入坩堝，置入真空燒結爐內，抽真空到10-2Pa以下，然后開始加熱，升溫至1600℃保溫3個小時。燒結完成后，對燒結試樣測試可知經過各工藝階段后，坯件基本上保持了自身的形狀，各方向尺寸收縮均勻，說明固相燒結可以為坯件提供一定的保形性；高溫燒結件試樣力學性能1600℃高溫燒結件抗拉強度180MPa，延伸率3.5％，沖擊韌性9KJ/m2；高溫燒結件微觀組織經過真空高溫燒結后坯件內部金屬粉顆粒已經緊密地聯結在一起。
還原氣氛二步燒結采用以H2作為還原氣氛的燒結爐，將經過預燒結后的成型件放入還原氣氛燒結爐中，從室溫開始加熱，以300℃/h升溫速度升溫至1600℃固相燒結溫度，保溫3小時，然后繼續以300℃/h升溫速度升溫至1900℃液相燒結溫度，保溫3小時，以300℃/h的較低降溫速度降溫。燒結成品件的拉伸試驗結果1900℃還原氣氛二步燒結件抗拉強度可達到200MPa以上，延伸率接近4％，沖擊韌性9KJ/m2，其力學性能與1600℃真空燒結件力學性能相比都得到了一定的提高，但是與金屬件要求的力學性能相比還相差甚遠。為了增強其力學性能，還應對其進行金屬熔滲處理。
(5)熔滲。
高溫燒結后的成型件內部仍然殘留有部分微小孔隙，熔浸能有效提高材料的密度。將經過脫脂預燒結和高溫燒結后的坯件與液體金屬接觸或浸埋在液體金屬內，讓金屬液填充坯體孔隙，冷卻下來就得到致密材料或零件，這種工藝稱為熔浸或熔滲。
金屬熔滲是一道十分重要的工序。經過熔滲后的成型件，強度遠遠高于未熔滲過金屬的燒結件，性能更加完善，由于有熔滲的金屬存在，成型件更會具有一些特殊功能，可以用作需要發汗的高溫部件，比如火箭彈噴管等。
本發明對成型件的預燒結坯體、真空固相燒結坯體以及還原氣氛二步燒結坯體進行了金屬熔滲實驗，并對金屬熔滲工藝進行了比較。
根據激光燒結快速成型件熔滲的特點，將熔滲金屬和坯件放置于坩鍋內，成型件放在坩鍋中央部分，熔滲金屬紫銅(T4)放于四周的小斜板上，以便銅液能順利流到成型件上。將紫銅與脫脂預燒結坯件、真空固相高溫燒結坯件以及還原氣氛二步燒結坯件分別放入坩堝內，密封好放入真空燒結爐。抽真空到10-2Pa以下，然后開始加熱。由于坯件內有機樹脂已充分脫除且具有一定的強度，所以滲銅工藝可以采用較高的升溫速度，本發明采用500℃/h的升溫速度。根據銅的熔點1083℃，確定熔滲溫度為1150℃。在熔滲工藝中，熔滲時間是最為重要的一個工藝因素。熔滲應用毛細管理論，其熔滲高度(h)與熔滲時間(t)之間存在函數關系h＝f(t)。所以為保證金屬熔滲的充分進行，要根據坯件的高度來確定熔滲時間。熔滲結束后，以200℃/h的降溫速度降至室溫。
各種燒結工藝坯件經金屬熔滲后物理性能測試預燒結件滲銅后抗拉強度可達310MPa，延伸率17％，沖擊韌性16KJ/m2；真空固相高溫燒結件滲金屬后抗拉強度450MPa，延伸率14％，沖擊韌性15KJ/m2；還原氣氛二步高溫燒結件滲金屬后抗拉強度480MPa，延伸率13％，沖擊韌性14KJ/m2。比較上述力學性能可以看出預燒結成型件滲銅后的強度偏低，無法滿足金屬零件的使用要求。真空固相燒結制件滲銅后的強度雖已能滿足一般金屬零件的使用要求，但由于真空固相燒結制件內存在著大量閉孔孔隙，從而導致金屬熔滲不能夠充分地進行，所以其強度與還原氣氛二步燒結件滲銅后強度相比也還存在一定的差距。還原氣氛二步燒結件滲銅后強度不僅可滿足一般金屬零件的使用要求，還可滿足性能要求更高的金屬零件使用，所以，原型件應經過還原氣氛二步燒結后再滲銅。
本發明與傳統制造方法相比，可以從三維CAD模型直接制得具有特殊性能要求、形狀復雜的金屬原型件，再經后處理工藝，可得到滿足特殊要求的金屬件。可應用于兵器彈箭、航空武器等裝備的高溫構件和電子工業高電導散熱元件的制造，如耐火藥燃燒沖蝕的噴管喉襯，高溫電弧作用下的電觸頭等。本發明可及時修改設計方案，完善產品設計，以響應市場的需要，從而大大縮短新產品的開發周期，降低研制成本，實現柔性生產，使企業具備更強的競爭能力。
具體實施例方式
一種鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，其工藝步驟為(1)難熔合金粉末包覆，具體步驟是選擇高純度鉬合金微粉材料FMo-1，選擇主要成分為熱塑性樹脂的有機包覆材料，按現有技術對鉬粉進行樹脂包覆。其中覆膜材料配比為鉬粉90％、熱熔膠8％、表面活性劑1％、增滑劑0.4％、分散劑0.4％、增脆劑0.2％。
(2)激光燒結成形，具體步驟是首先利用點掃描選區激光燒結快速成型設備HLP-350I，通過正交實驗，確定包括鋪粉參數、激光功率、激光掃描速度、粉末平均粒徑的最佳工藝參數匹配，然后按激光逐層掃描燒結成型方法進行燒結成型，從而得到尺寸精度及表面質量均符合要求的成型件。
(3)脫脂及預燒結，具體步驟是在真空碳管燒結爐中，將激光燒結成型件加熱到250℃～300℃保溫2～3小時，去除有機粘結劑覆膜材料；工件繼續升溫到1350℃，保溫3小時，完成預燒結。
(4)高溫燒結，具體步驟是在還原性氣氛燒結爐中對預燒結件進行1600～1900℃高溫強化燒結，獲得含孔鉬合金骨架。
(5)熔滲，具體步驟是在真空燒結爐高真空條件下，把高溫燒結制件和電解銅塊置入石墨坩堝，加熱到1150℃并保溫熔滲，保溫時間t與熔滲高度h之間存在函數關系h＝f(t)，熔滲后再進行必要的表面處理，從而制得鉬銅復合材料高溫構件。
所述的最佳工藝參數匹配為激光功率15W，掃描速度1000mm/s，鋪粉厚度0.10mm，粉末平均粒徑35μm。
所述的脫脂處理，其最佳脫脂加熱溫度為300℃，其升溫到300℃的加熱臨界速度Vc范圍為200℃/h≤Vc＜250℃/h，最佳脫脂加熱速度為200℃/h。
所述的高溫燒結，采用真空固相燒結和還原氣氛二步燒結的工藝從室溫開始加熱，以300℃/h加熱速度升溫至固相燒結溫度1600℃，保溫3小時，然后繼續以300℃/h加熱速度升溫至液相燒結溫度1900℃，保溫3小時，以300℃/h的速度降溫。
所述的熔滲，以500℃/h的加熱速度升溫至熔滲溫度1150℃，熔滲時間(t)與熔滲高度(h)之間存在函數關系h＝f(t)，本實施例的熔滲保溫時間為2～3小時，以200℃/h的降溫速度降至室溫，制得高溫構件。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行改動和變形，倘若這些改動和變形不脫離本發明的原理，屬于本發明的權利要求及其等同技術的范圍，則本發明的保護范圍也包含這些改動和變形在內。
權利要求
1.一種鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，包括制備激光燒結的金屬粉末，激光逐層掃描燒結成型，其特征在于，所述的工藝步驟為(1)難熔合金粉末包覆；(2)激光燒結成形；(3)脫脂及預燒結；(4)高溫燒結；(5)熔滲。
2.按照權利要求1所述的鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，其特征在于所述的步驟(1)難熔合金粉末包覆，具體步驟是選擇高純度鉬合金微粉材料FMo-1，選擇主要成分為熱塑性樹脂的有機包覆材料，按現有技術對鉬粉進行樹脂包覆。
3.按照權利要求1所述的鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，其特征在于所述的步驟(2)激光燒結成形，具體步驟是首先利用點掃描選區激光燒結快速成型設備HLP-350I，通過正交實驗，確定包括鋪粉參數、激光功率、激光掃描速度、粉末平均粒徑的最佳工藝參數匹配，然后按激光逐層掃描燒結成型方法進行燒結成型，從而得到尺寸精度及表面質量均符合要求的成型件。
4.按照權利要求1所述的鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，其特征在于所述的步驟(3)脫脂及預燒結，具體步驟是在真空燒結爐中，將激光燒結成型件加熱到250℃～300℃保溫2～3小時，去除有機粘結劑覆膜材料；工件繼續升溫到1350℃，保溫3小時，完成預燒結。
5.按照權利要求1所述的鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，其特征在于所述的步驟(4)高溫燒結，具體步驟是在還原性氣氛燒結爐中對預燒結件進行1600～1900℃高溫強化燒結，獲得含孔鉬合金骨架。
6.按照權利要求1所述的鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，其特征在于所述的步驟(5)熔滲，具體步驟是在真空燒結爐高真空條件下，把高溫燒結制件和電解銅塊置入石墨坩堝，加熱到1150℃并保溫熔滲，緩慢降溫至室溫，從而制得鉬銅復合材料高溫構件。
7.按照權利要求3所述的鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，其特征在于所述的最佳工藝參數匹配為激光功率15W，掃描速度1000mm/s，鋪粉厚度0.10mm，粉末平均粒徑35μm。
8.按照權利要求4所述的鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，其特征在于所述的脫脂處理，其最佳脫脂加熱溫度為300℃；最佳脫脂加熱速度為200℃/h。
9.按照權利要求5所述的鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，其特征在于所述的高溫燒結，采用真空固相燒結和還原氣氛二步燒結的工藝從室溫開始加熱，以300℃/h加熱速度升溫至固相燒結溫度1600℃，保溫3小時，然后繼續以300℃/h加熱速度升溫至液相燒結溫度1900℃，保溫3小時，以300℃/h的速度降溫。
10.按照權利要求6所述的鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法，其特征在于所述的熔滲，升溫至熔滲溫度1150℃的加熱速度為500℃/h，保溫時間t與熔滲高度h之間存在函數關系h＝f(t)，降溫速度為200℃/h。
全文摘要
本發明公開了一種鉬銅復合材料高溫構件的快速制作方法。選擇性激光燒結(SLS)可以從三維CAD模型直接制得具有特殊性能要求、形狀復雜的金屬原型件，再經后處理工藝，可得到滿足特殊要求的金屬件。在國內，激光燒結快速成型技術處于起步階段，對于采用金屬粉末材料激光燒結快速成形高溫構件的研究，國內外尚無成熟的工藝。本發明的工藝步驟為(1)難熔合金粉末包覆；(2)激光燒結成形；(3)脫脂及預燒結；(4)高溫燒結；(5)熔滲。本發明可及時修改設計方案，完善產品設計，以響應市場的需要，從而大大縮短新產品的開發周期，降低研制成本，實現柔性生產，使企業具備更強的競爭能力。
文檔編號B22F3/26GK1958196SQ20061004832
公開日2007年5月9日 申請日期2006年9月21日 優先權日2006年9月21日
發明者白培康, 劉斌, 徐宏, 王建宏, 胡保全 申請人:中北大學