一种利用3D打印制备高比强度、高弹性变形点阵结构铜合金的方法技术

一种利用3D打印制备高比强度、高弹性变形点阵结构铜合金的方法，属于金属材料3D打印领域。所述铜合金点阵结构为“金刚石晶胞”、“体心立方‑Z”、“面心立方‑Z”点阵结构中的一种，是利用三维软件进行设计并通过有限元模拟软件对其力学性能进行分析验证后获得的具有高比强度、高弹性变形的点阵结构。其制备方法是利用3D打印中的激光选区熔化技术通过调整打印工艺参数(激光功率、扫描速率和扫描间距等)成形点阵结构铜合金，并进行退火处理，最终获得具有高比强度、高弹性变形点阵结构铜合金。

A method for preparing copper alloy with high specific strength and high elastic deformation lattice structure by 3D printing

A method for preparing high specific strength and high elastic deformation lattice structure copper alloy by 3D printing belongs to the field of 3D printing of metal materials. The lattice structure of the copper alloy is a lattice structure of \diamond crystal cell\, \body centered cubic Z\ and \face centered cubic Z\ lattice structure. It is a lattice structure with high specific strength and high elastic deformation, which is designed by three-dimensional software and analyzed by finite element simulation software to verify its mechanical properties. The method of preparation is to use the laser selective melting technique in 3D printing to form the lattice structure copper alloy by adjusting the printing process parameters (laser power, scanning rate and scanning distance etc.) and anneal. Finally, the copper alloy with high specific strength and high elastic deformation lattice structure is obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种利用3D打印制备高比强度、高弹性变形点阵结构铜合金的方法
本专利技术涉及一种高比强度、高弹性变形点阵结构铜合金的制备方法，属于金属材料3D打印领域。
技术介绍
铜及铜合金由于其优良的导热导电性能在电子行业受到广泛应用，将其制备为多孔结构则可在显著降低其密度的同时进一步增加其散热性，这种多孔结构的铜合金目前在电池、散热、传感和驱动等领域存在较大的应用价值。研究人员通常根据多孔结构的排序将其分为两类：一类是微结构随机分布的金属泡沫材料，另一类是多孔结构周期性排列的金属栅格或点阵材料。随着电子行业的快速发展，某些器件除了要满足电学、热学性能以外还需要具有一定的力学性能，而多孔结构随机分布的泡沫金属材料由于无法控制孔隙的大小、形状等分布状态，无法有效的调控其力学性能。对于多孔结构周期性排列的点阵材料，由于结构中每个节点由若干杆件相连，通过设计杆件的数目和连接方式使得材料的宏观强度由杆件的拉压强度控制，从而实现对材料高承载效率的调控。随着电子元器件结构越来越微型化，其内部所需要的点阵结构铜合金则需要更加细微，单个胞元尺寸更小，但目前其制备方法如冲压变形-焊接成型、金属丝组装成型等存在着工艺复杂、精度较差的缺点，而且成形件单元结构尺寸受到制备方法的限制而无法达到更精细的程度。因此，针对点阵铜合金的应用背景，亟需一种全新的制备方法，为其应用提供基础。3D打印中的激光选区熔化技术作为一种先进的增材制造技术，是利用激光热源对粉末进行熔化而制备出块体材料，其成形不受材料熔点等因素的限制，可以借助CAE技术实现三维立体近净成形，在制备复杂结构样品上具有较大的技术优势。同时，激光选区熔化成形过程中可通过单个扫描路径形成的微区域，其胞元尺寸范围为0.8～5mm，杆单元直径范围为100～500μm，从而实现对材料细微结构的精确控制。同时，由于SLM技术在制备具有复杂结构样品上的成形优势，在点阵结构的设计上具有较大的选择空间。因此，利用激光选区熔化技术制备多孔结构铜合金可以实现对其力学性能精确调控的要求。
技术实现思路
针对目前电子器件中具有特殊力学性能需求的点阵结构铜合金，本专利技术的目的之一在于提供一种基于铜合金的具有高比强度、高弹性变形的点阵结构。本专利技术的目的之二在于提供一种制备高比强度、高弹性变形的点阵结构铜合金的方法，所述方法通过激光选区熔化技术通过调整打印工艺参数和热处理工艺参数获得具有高比强度、高弹性变形的点阵结构铜合金。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种包括高比强度、高弹性变形点阵结构的铜合金，其特征在于，变形点阵结构为“金刚石晶胞”、“体心立方-Z”、“面心立方-Z”点阵结构中的一种。进一步优选包括上述高比强度、高弹性变形点阵结构的铜合金的一端为刚性实体的铜合金，一端为高比强度、高弹性变形点阵结构，二者为一体。所选铜合金体系为适用于激光选区熔化的铸造铜合金体系的一种，包括CuSn10、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2、ZCuAl9Mn2和ZCuAl10Fe3等。铜合金的点阵结构是利用三维软件进行设计的，通过有限元模拟软件对其力学性能进行分析验证后为具有高比强度、高弹性变形的点阵结构。一种利用3D打印制备高比强度、高弹性变形点阵结构铜合金的方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：步骤1：选择点阵结构形状“金刚石晶胞”、“体心立方-Z”或“面心立方-Z”点阵结构中的一种，根据需要调整尺寸大小及分布状态等，利用软件完成模型的绘制；步骤2：购买符合SLM形成要求的铜合金粉末，粒径分布25-53μm，氧含量≤1000ppm；利用打印机在不锈钢基板表面成形变形点阵结构铜合金，通过调整激光功率220W～260W、扫描速度900mm/s～1100mm/s、扫描间距0.09mm～0.11mm等工艺参数制备点阵结构铜合金，并对成形后的铜合金进行退火处理，退火温度320℃～380℃，退火时间100min～120min。本专利技术利用扫描电镜(SEM)测试铜合金的组织结构；利用阿基米德排水法测得试样的相对密度，利用万能试验机测试所制备样品的力学性能(准静态压缩，压缩速率1*10-3/s)，计算点阵结构铜合金的弹性变形、比强度参数。点阵结构铜合金的制备方法是利用3D打印中的激光选区熔化技术通过调整打印工艺参数(激光功率、扫描速率和扫描间距等)成形点阵结构铜合，并进行退火处理，最终获得具有高比强度、高弹性变形点阵结构铜合金。本专利技术是通过静力学理论计算筛选结构，选取具有高弹性变形、高屈服强度的结构模型，利用3DMax软件完成模型的绘制。有益效果：(1)本专利技术利用激光选区熔化技术制备点阵结构铜合金既可以弥补传统熔模铸造、冲压变形成型、金属丝组装成型等方法在制备过程中工艺复杂、精度差、材料选择受限的缺点，为制备点阵结构铜合金提供了一种新颖而又高效的方法，同时又可以通过调控工艺条件可以实现对点阵结构铜合金力学性能精确调控的要求。(2)本专利技术所制备的点阵结构铜合金具有高弹性变形、高比强度，在电子元器件领域应用前景广阔，对于促进电子信息化装备升级、实现电子信息化产业跨越式发展等目标都具有较为深远的影响。附图说明：图1为点阵结构铜合金模型图；图2为激光选区熔化制备点阵结构铜合金样品宏观图；图3为激光选区熔化制备点阵结构铜合金样品微观组织结构扫描电镜图；图4为激光选区熔化制备点阵结构铜合金样品力学性能曲线。具体实施方式：下面结合具体实施例对本专利技术作进一步阐述，但本专利技术并不限于以下实施例。所述研究和制备方法步骤如下：步骤1：选择点阵结构形状—“金刚石晶胞”、“体心立方-Z”、“面心立方-Z”点阵结构中的一种，调整尺寸大小及分布状态等，通过静力学理论计算筛选结构，选取具有高弹性变形、高屈服强度的结构模型，利用3DMax软件完成模型的绘制；步骤2：利用ABQUS有限元模拟软件，代入铜合金的相关力学性能参数。通过划分网格、设置边界条件、设置分析步等对所设计的模型进行力学行为模拟验证；步骤3：购买符合SLM形成要求的铜合金粉末，粒径分布25-53μm，氧含量≤1000ppm；利用EOSM280打印机在不锈钢基板表面成形点阵结构铜合金，成形尺寸为5mm*5mm*10mm，通过调整激光功率(220W～260W)、扫描速度(900mm/s～1100mm/s)、扫描间距(0.09mm～0.11mm)等工艺参数制备点阵结构铜合金，并对成形后的铜合金进行退火处理(退火温度320℃～380℃，退火时间100min～120min)；利用扫描电镜(SEM)测试铜合金的组织结构；步骤4：利用阿基米德排水法测得试样的相对密度，利用万能试验机测试所制备样品的力学性能(准静态压缩，压缩速率1*10-3/s)，计算点阵结构铜合金的弹性变形、比强度参数。以下实施例中，所用软件、仪器设备：三维设计软件：3DMax软件；有限元模拟软件：ABAQUS软件；激光选区熔化设备：德国EOSM280打印机；真空热处理炉：Model1050，中国合肥科晶；对所制备的点阵结构铜合金进行的表征：(1)形貌表征：采用日本日立公司的HITACHIS4800型冷场发射扫描电子显微镜进行微观形貌表征，二次电子成像，工作电压为15kV；(2)准静态压缩试验：采用CMT4305型微机电子万能试验机进行室温轴向准静态压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包括高比强度、高弹性变形点阵结构的铜合金，其特征在于，变形点阵结构为“金刚石晶胞”、“体心立方‑Z”、“面心立方‑Z”点阵结构中的一种。

【技术特征摘要】
1.一种包括高比强度、高弹性变形点阵结构的铜合金，其特征在于，变形点阵结构为“金刚石晶胞”、“体心立方-Z”、“面心立方-Z”点阵结构中的一种。2.按照权利要求1所述的一种包括高比强度、高弹性变形点阵结构的铜合金，其特征在于，所选铜合金体系为适用于激光选区熔化的铸造铜合金体系的一种。3.按照权利要求1所述的一种包括高比强度、高弹性变形点阵结构的铜合金，其特征在于，所选铜合金体系为CuSn10、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2、ZCuAl9Mn2和ZCuAl10Fe3中的一种。4.制备权利要求1所述的一种包括高比强度、高弹性变形点阵结构的铜合金的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺定勇，李现兵，张朋，谈震，曾勇，张晓雅，周正，王国红，王曾洁，吴旭，
申请(专利权)人：北京工业大学，全球能源互联网研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11