一种高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法技术

本发明专利技术公开一种高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法，属于精密制造领域。本发明专利技术所述方法为：首先建立复杂零件三维数字模型；然后将其切片离散获得的分层扫描数据导入电子束扫描控制软件；随后在真空条件下将球形铜粉均匀铺设在预热到150～250℃的铜板上；使用聚焦电子束根据分层扫描数据扫描熔化粉层，结束后再使用小电流离焦电子束扫描粉层使温度均匀化。重复铺粉、熔化和均匀化过程，逐层熔化凝固累积，直到零件打印完成。最后在真空条件下冷却到50℃以下后，打开成形腔清理后即可获得致密度超过98.5％的高致密度纯铜复杂零件。本发明专利技术能够克服纯铜导热率高、能量吸收率低的缺点，实现高致密度纯铜复杂零件的3D打印。

A 3D printing method of electron beam selective melting for complex parts of high density pure copper

【技术实现步骤摘要】
一种高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法
本专利技术涉及一种高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法，属于精密制造领域。
技术介绍
铜具有优良的导热、导电性能，在航空航天、散热器、电接触与电加工等领域获得广泛应用。然而，这些领域中的航天发动机燃烧室冷却壁、喷嘴，散热器，精密加工电极等结构复杂，无法使用传统的机械加工方法完成，限制了相关领域的技术发展。3D打印是增材制造的俗称，选区熔化3D打印是利用聚焦高能束为热源，按照三维离散数据逐层扫描并熔化粉末，然后逐层凝固，层层叠加成形零件的新方法。它不受零件形状的制约，设计自由度高，能够直接成形各种形状复杂、尺寸精细的零件。其中，以激光为热源的激光选区熔化3D打印已广泛应用于钢铁材料、钛合金等成形。铜是导电、导热性能极为优良的有色金属，其对激光尤其是激光选区熔化3D打印使用的1060nm以上波长的激光有很高的反射率，激光无法有效熔化铜。因此，使用激光选区熔化3D打印，难以实现纯铜的有效成形。铜对聚焦电子束的能量吸收率较高，真空条件下聚焦电子束能够克服激光的缺陷，实现铜的有效熔化。然而，纯铜导电导热性极为优良，热膨胀系数大，熔化后流动性好，聚焦电子束熔化铜时，熔池不易稳定，单层熔化控制困难，层与层之间结合差、不同高度组织差异大，依然存在导热过快、成形过程稳定性差难以控制、致密度难以提高等问题，其难度远超铜合金及其它合金。结构复杂的零件成形时，由于不同结构的导热条件不同，这一问题尤为严重，导致复杂零件无法成形。已有公开技术中尚无成形件致密度超过95％的纯铜复杂零件3D打印方法。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高致密度纯铜金属零件的电子束选区熔化3D打印成形方法，该方法根据铜的高导热、高导电特性和电子束选区熔化3D打印方法的原理，采用低温预热和间隔低束流均温等方法，实现纯铜金属成形质量和致密度的提高。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法，包括以下步骤：(1)建立成形件的三维数字模型；(2)将三维数字模型切片离散后获得的分层扫描数据导入电子束扫描控制软件；(3)真空条件下，将铜板预热到150～250℃；(4)真空条件下，将球形铜粉均匀铺设在铜板上；(5)真空条件下，使用聚焦电子束根据分层扫描数据扫描熔化粉层；(6)真空条件下，扫描熔化结束后，使用离焦电子束扫描粉层使温度均匀化；(7)重复步骤(4)～步骤(6)，完成逐层凝固累积，直至整个零件打印完毕；在真空条件下自然冷却到50℃以下后，清理后即可获得高致密度纯铜复杂零件。优选的，本专利技术步骤(2)中，切片厚度为20～100μm。优选的，本专利技术步骤(3)中，铜板的预热通过离焦电子束扫描实现，扫描束流10-25mA，扫描速度10-20m/s。优选的，本专利技术步骤(3)和步骤(4)中，真空条件为：8.0×10-3～2.0×10-3Pa。优选的，本专利技术步骤(4)中，球形铜粉平均直径为40-150μm，铺粉厚度为20～100μm。优选的，本专利技术步骤(5)中，扫描熔化粉层时，聚焦电子束的束斑直径为80～120μm，扫描束流为5～20mA、扫描速度为1～3m/s、扫描间距为100～150μm。优选的，本专利技术步骤(6)中，离焦电子束扫描时，扫描束流为1～2mA、扫描速度为20～30m/s，扫描时间为10-25s。本专利技术的原理是，纯铜对电子束能量吸收率高，在电子束扫描下能够有效熔化铜，克服了激光选区熔化3D打印纯铜无法有效成形的问题；但是，纯铜导电性能优异，热膨胀系数大，导致电子束打印过程中温度场变化大，成形时层与层之间结合差、不同高度组织差异大，成形过程稳定性差难以控制、致密度难以提高。本专利技术在理论分析、温度场模拟研究和大量试验验证的基础上，提出的低温预热、熔化后粉层低电流离焦快速扫描等方法，能够有效的保证成形过程中温度均匀化，使得每一层熔化时熔池稳定均匀且层间结合良好，防止熔合不良、孔洞的出现，有效提高成形件致密度，实现高致密度纯铜复杂零件的3D打印。本专利技术的有益效果：本专利技术克服了铜对现有激光3D打印使用的激光反射率高、无法有效成形和现有电子束3D打印方法导热过快、成形过程稳定性差难以控制、致密度难以提高的问题，实现了致密度高达98.5％的高致密度纯铜复杂零件的成形。附图说明图1是本专利技术实施1获得的纯铜复杂金属零件。图2是本专利技术实施1获得的纯铜试样上表面。图3是本专利技术实施1获得的纯铜试样的致密组织的金相照片。具体实施方式下面结合具体实施例本专利技术作进一步的详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。实施例1(1)使用设计软件建立成形件的三维数字模型。(2)将建立的三维数字模型使用切片软件切片离散后获得的分层扫描数据，然后将离散后的切片数据导入电子束扫描控制软件，切片厚度为20μm。(3)封闭成形腔，将真空度抽至8.0×10-3Pa，使用扫描束流10mA，扫描速度10m/s的离焦电子束将铜板预热到150℃。(4)保持成形腔真空度为8.0×10-3Pa，将抽真空前装入成形腔中的平均直径为40μm的球形铜粉均匀铺设在预热后的铜板上，铺粉厚度为20μm。(5)保持成形腔真空度为8.0×10-3Pa，使用束斑直径为80μm的聚焦电子束，根据分层扫描数据扫描熔化粉层，扫描时扫描束流为5mA、扫描速度为1m/s、扫描间距为100μm。(6)保持成形腔真空度为8.0×10-3Pa真空条件下，在步骤(5)扫描熔化结束后，使用扫描束流为1mA的小电流离焦电子束，扫描粉层使温度均匀化，扫描时扫描速度为20m/s，扫描时间为10s。(7)重复步骤(4)～步骤(6)，完成逐层凝固累积，在真空条件下自然冷却到50℃以下后，清理后即可获打印的纯铜复杂零件。经检测，获得的纯铜金属零件的致密度高达99.5％。本实施例制备得到的纯铜复杂金属零件如图1所示，由图可以看出，对于这一具有复杂内孔流道的零件，整个截面熔化均匀，复杂结构完整，边缘清晰；这表明，使用本专利技术公开的方法，有效实现了铜复杂零件的3D打印成形。本实施例制备得到的纯铜试样上表面如图2所示，由图可以看出，使用本专利技术公开的方法，试样表面平整光洁，表明聚焦电子束熔化纯铜时熔池稳定性得到了有效控制，熔化层均匀稳定。本实施例制备得到的纯铜试样的内部组织的金相照片如图3所示，由图可以看出，使用本专利技术公开的方法，成形的3D打印纯铜内部组织致密，基本消除了孔洞等缺陷，致密度高达99.5％。实施例2(1)使用设计软件建立成形件的三维数字模型。(2)将建立的三维数字模型使用切片软件切片离散后获得的分层扫描数据，然后将离散后的切片数据导入电子束扫描控制软件，切片厚度为80μm。(3)封闭成形腔，将真空度抽至5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)建立成形件的三维数字模型；/n(2)将三维数字模型切片离散后获得的分层扫描数据导入电子束扫描控制软件；/n(3)真空条件下，将铜板预热到150～250℃；/n(4)真空条件下，将球形铜粉均匀铺设在铜板上；/n(5)真空条件下，使用聚焦电子束根据分层扫描数据扫描熔化粉层；/n(6)真空条件下，扫描熔化结束后，使用离焦电子束扫描粉层使温度均匀化；/n(7)重复步骤(4)～步骤(6)，完成逐层凝固累积，直至整个零件打印完毕；在真空条件下自然冷却到50℃以下后，清理后即可获得高致密度纯铜复杂零件。/n

【技术特征摘要】
1.一种高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立成形件的三维数字模型；
(2)将三维数字模型切片离散后获得的分层扫描数据导入电子束扫描控制软件；
(3)真空条件下，将铜板预热到150～250℃；
(4)真空条件下，将球形铜粉均匀铺设在铜板上；
(5)真空条件下，使用聚焦电子束根据分层扫描数据扫描熔化粉层；
(6)真空条件下，扫描熔化结束后，使用离焦电子束扫描粉层使温度均匀化；
(7)重复步骤(4)～步骤(6)，完成逐层凝固累积，直至整个零件打印完毕；在真空条件下自然冷却到50℃以下后，清理后即可获得高致密度纯铜复杂零件。


2.根据权利要求1所述高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法，其特征在于：步骤(2)中，切片厚度为20～100μm。


3.根据权利要求1所述高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法，其特征在于：步骤(3)中，铜板的预热通过离焦...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎振华，杨睿，李淮阳，滕宝仁，申继标，刘静，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53