一种使用选区激光熔化工艺制备SnBi-xFe低熔点复合材料的方法技术

本发明专利技术属于增材制造领域，涉及一种使用选区激光熔化工艺制备SnBi

【技术实现步骤摘要】
一种使用选区激光熔化工艺制备SnBi
‑
xFe低熔点复合材料的方法


[0001]本专利技术属于增材制造领域，涉及一种使用选区激光熔化工艺制备SnBi
‑
xFe低熔点复合材料的方法。

技术介绍

[0002]低熔点合金通常由 Bi、Sn、Pb、In等低熔点金属元素组成，其中SnBi合金及以SnBi合金为基体的复合材料有着丰富的应用与理论价值。从应用上讲，SnBi合金较窄的熔程与较低的熔化温度（锡铋共晶为137℃），优良的铺展浸润性，相对较高的强度及塑性等特点，使其在电子工业低温钎料应用中被视为无铅钎料的最佳替代之一；在安防领域，亦可作为保险丝及安全结构件的材料；在清洁能源光伏产业，储能工程领域，低温模具领域也有广泛应用；甚至被研究应用于弹药力热缓解结构这类军工领域。
[0003]但是，在作为结构件的应用场景中，传统的铸造工艺因Sn相与Bi相易偏析与晶粒粗大，导致成型件力学性能表现不佳。针对该问题，过往学者主要通过在铸造工艺中引入合金化，第二相强化机制，或是引入变形加工等后处理方式提升SnBi基合金的力学性能。但比如铸造过程，其本身可控的工艺参数非常有限，限制了强化手段的使用，若在其中引入颗粒强化，则颗粒分布均匀性不易控制，且基体相晶粒相对粗大，使复合材料的性能难以提升；另外，使用这些工艺实现高精度与复杂结构的零件也十分困难。

技术实现思路

[0004]针对上述不足，本专利技术提出一种使用选区激光熔化工艺制备SnBi
‑
xFe低熔点复合材料的方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种使用选区激光熔化工艺制备 SnBi
‑
xFe低熔点复合材料的方法包括以下步骤：（1）选用符合选区激光熔化技术成型要求的SnBi合金粉末，与作为强化相的Fe粉；（2）将SnBi合金粉末与Fe粉末装在一起混合均匀；混粉完成后置于干燥箱中，抽气至预设真空度，加热至预设温度并保持预设时间。
[0006]（3）按照成型件几何特征，以及对成型件的目标性能要求，在计算机上建立三维模型，对模型进行选区激光熔化的工艺参数设定，并对该模型进行切片处理；（4）将基板安装在选区激光熔化成型设备的成型缸并调平，然后将（2）中所得粉末，装入选区激光熔化成型设备的粉料缸中，使用刮刀将粉末铺平，并关闭设备舱门；（5）在选区激光熔化成型设备的操作系统中，通入保护气以除氧，除氧完成后，导入零件模型并开始打印。打印前可预热基板，以避免基板温度过低，促进基板与SnBi
‑
xFe粉末的冶金结合，但也不宜过高，以避免干扰粉末状态及3D打印样件的性能。
[0007]进一步地，步骤（1）中作为强化相的Fe粉，可以是以Fe元素为主要成分的不锈钢
粉，颗粒的直径可以为纳米级（0.1nm~0.1um），亚微米级（0.1um~1um），微米级（1um~100um）;Fe粉的质量分数，即SnBi
‑
xFe中的x值，可选0~30%中任意值，且不为0。
[0008]进一步地，步骤（2）中使用自动混粉机混粉2~4h，混粉机转动速率20~40rpm，干燥箱真空度设置为≤10
‑1Mpa，加热温度设置为40~60℃，保温时间设置为3~5h。
[0009]进一步地，步骤(3)中所述成型件为棒材或板材，选区激光熔化的工艺参数设定时，激光输入功率为40W~120W，扫描速度为400mm/s~2500mm/s,扫描间距为0.025mm~0.055mm，扫描层厚为20~30um，激光直径为0.06~0.1mm， N+1层相对N层的激光扫描方向顺时针或逆时针旋转为0
°
~90
°
，优选为30
°
~80
°
。可选择给成型件添加支撑，支撑在计算机三维模型上创建，能够帮助样件更好的被打印成型，以及样件从基板上分离。
[0010]进一步地，步骤（4）中所述刮刀，可以选用橡塑刮刀，也可以选择不锈钢刮刀；所述基板为不锈钢基板。
[0011]进一步地，步骤（5）中作为保护气的气体，为99.99wt%的高纯度氩气。除氧完成后以及打印过程中，打印室内的氧气含量≤100ppm。
[0012]进一步地，步骤（5）中基板的预热温度T
p
满足20≤T
p
≤60℃。
[0013]进一步地，步骤（1）所述钢粉以质量百分比计包括以下组分：Cr：15%~17.5%；Ni：3%~5%；Cu：3%~5%；Mn：≤1%；Si：≤1%；Mo：≤0.5%；Nb：0.15%~0.45%；C：≤0.07%；S:≤0.03%；P：≤0.04%；Fe：其余。
[0014]进一步地，步骤（1）所述Fe粉为Fe元素质量分数不低于99.8%的纯铁粉。
[0015]有益效果：本专利技术凭借选区激光熔化工艺多参数易调控的工艺特点，可实现特定的SnBi合金组织，从而使SnBi基体本身兼具较高的强度与塑性；同时增强相Fe颗粒引入了颗粒强化与沉淀强化机制，进一步提高SnBi基体的强度，且选区激光熔化工艺过程易保证各组分混合均匀；另外，选区激光熔化工艺在制备复杂，高精度零件场景中优势显著，大大拓展了SnBi
‑
xFe低熔点复合材料的应用场景。
具体实施方式
[0016]下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步说明。
[0017]实施例1：（1）SnBi
‑
10%Fe粉末准备：选用Sn58Bi合金粉末，其中Sn，Bi两成分比例为恰好形成共晶组织的比例，粉末粒
径30um~60um；增强相颗粒选用不锈钢粉末，粒径0~15um，钢粉原料以质量百分比计包含以下组分：Cr：15%~17.5%，Ni：3%~5%，Cu：3%~5%，Mn：≤1%，Si：≤1%，Mo：≤0.5%，Nb：0.15%~0.45%，C：≤0.07%，S:≤0.03%，P：≤0.04%，Fe：余量。记钢粉质量M
钢
，Sn58Bi合金粉质量为M
SnBi
，取M
钢
/（M
钢
+M
SnBi
）=10%，即钢粉质量百分数为10%。将两种粉末装在混粉瓶中进行混粉，通过混粉机混粉，混粉时间4h，混粉转速20RPM。将混合均匀后的粉末放在烘干箱中，抽真空值10
‑1Mpa，加热至50℃并保温4h。该步骤为SnBi
‑
xFe各组分均匀分布创造了基础。
[0018]（2）模型构建：在计算机上建立三维模型，本实例创建的板材的长
×
宽
×
高=45mm
×
5mm
×
10mm。在模型底部创建支撑，支撑可辅助模型与底部不锈钢基板的连结。随后设置模型的打印参数，打印层厚固定在30um，打印过程中N层与N+1层激光路径顺序旋转67
°
，激光直径0.06mm，其余参数的设置如表1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用选区激光熔化工艺制备 SnBi
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xFe低熔点复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）选用符合选区激光熔化技术成型要求的SnBi合金粉末，与作为强化相的Fe粉；（2）将SnBi合金粉末与Fe粉末混合均匀；混粉完成后置于干燥箱中进行真空干燥；（3）按照成型件几何特征，以及对成型件的目标性能要求，建立三维模型，并进行选区激光熔化的工艺参数设定，然后对该模型进行切片处理；（4）将基板安装在选区激光熔化成型设备的成型缸并调平，然后将（2）中所得混合粉末装入选区激光熔化成型设备的粉料缸中，使用刮刀将粉末铺平，并关闭设备舱门；（5）通入保护气以除氧，除氧完成后，开始打印得到SnBi
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xFe低熔点复合材料。2.根据权利要求1所述的使用选区激光熔化工艺制备SnBi
‑
xFe低熔点复合材料的方法，其特征在于：步骤（1）中作为强化相的Fe粉是以Fe元素为主要成分的不锈钢粉，Fe粉的质量分数即SnBi
‑
xFe中的x值，为0~30%中任意值，且不为0。3.根据权利要求1所述的使用选区激光熔化工艺制备SnBi
‑
xFe低熔点复合材料的方法，其特征在于：步骤（2）中混粉方式为使用自动混粉机混粉2~4h，混粉机转动速率20~40rpm，干燥箱真空度设置为≤10
‑1Mpa，干燥温度为40~60℃，干燥时间为3~5h。4.根据权利要求1所述的使用选区激光熔化工艺制备SnBi
‑
xFe低熔点复合材...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪炳叔，丁丁，詹博文，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：