权利要求
1.一种
锡铜合金,其特征在于,包括以下质量百分比的原料:
Sn 11%-13%、P 0.05%-2.0%、Ni 0.5%-5.0%、Cr 0.5%-3.5%、
稀土元素0.2-2.0%,余量为铜及不可去除的杂质,所述稀土元素为La及Ce的混合物,La、Ce及P以磷铜球形式添加,所述锡
铜合金的成品粉末粒径介于50-120μm。
2.根据权利要求1所述的锡铜合金,其特征在于,包括以下质量百分比的原料:
Sn 11%-13%、P 0.05%-2.0%、Ni 0.5%-5.0%、Cr 0.5%-3.5%、La 0.1%-1.0%及Ce 0.1-1.0%,余量为铜及不可去除的杂质,La、Ce及P以磷铜球形式添加,所述锡铜合金的成品粉末粒径介于50-120μm。
3.根据权利要求2所述的锡铜合金,其特征在于,所述锡铜合金成品粉末的制备方法为:
首先将铜、锡、
镍、铬加入至真空熔炼坩埚中,采用感应加热的方式将金属熔化,当金属液温度达到1000-1300℃时,采用二次加料的方式向金属液中加入磷铜、镧及铈,而后保温5-30min,最后将金属液倒入中间包坩埚中并将金属液通过气雾化制备成球形金属粉末,最后冷却并气流分级,得到锡铜合金成品粉末。
4.根据权利要求1所述的锡铜合金,其特征在于,所述磷铜球的制备方法为:
首先将磷铜合金加入至真空熔炼坩埚中,采用感应加热的方式将金属熔化,当金属液温度达到1000-1300℃后,加入La及Ce熔化混合均匀,得到磷铜熔液,而后通过连铸机将磷铜熔液冷却结晶成磷铜杆,再将磷铜杆依次经过镦球机、抛光机、清洗机和包装机加工成磷铜球。
5.根据权利要求3所述的锡铜合金,其特征在于:气雾法制备球形金属粉末中,雾化气体选用高纯氩气,熔炼室与气雾室压差小于0.3MPa,高压雾化气体的压力为4-5MPa。
6.一种锡铜合金激光熔覆工艺,其特征在于:其采用激光熔覆的方式将权利要求1-5任意一项所述的锡铜合金的成品粉末附着于构件上;
所述激光熔覆采用窄光斑,激光光斑直径5mm,激光功率1500-3000千瓦,熔覆速度400-800mm/min;
成型完成后对构件进行切割、打磨、抛光处理。
7.一种锡铜合金激光熔覆工艺,其特征在于:其采用激光熔覆的方式将权利要求1-5任意一项所述的锡铜合金的成品粉末附着于构件上;
所述激光熔覆采用宽光斑,激光光斑尺寸为20mm×4mm,激光功率8000-15000千瓦,熔覆速度200-600mm/min;
成型完成后对构件进行切割、打磨、抛光处理。
说明书
技术领域
[0001]本申请涉及锡青铜激光熔覆成型工艺的技术领域,更具体地说,它涉及一种锡铜合金及锡铜合金激光熔覆工艺。
背景技术
[0002]SLM法,全称为选择性激光熔化,是一种金属增材制造技术,其利用高能激光束将金属粉末逐层熔融叠加,最终构建呈完整的金属零件。然而,利用SLM法制备高致密的铜合金零件仍存在很大的挑战性,其一,由于铜对红外具有高光学反射率,从而导致致密部分所需得到能量成倍增加,即需要更大功率的激光器,同时较高的铜背反射也会损坏设备的光学元件。其二,铜的高本征热导率使吸收的热量迅速散失,而为了能使材料熔化,便需要输入更多的能量。
[0003]而且,高激光反射率和高导热性在激光成型过程中容易出现道次和层间非熔合气孔,过高的能量输入使熔体黏度下降,容易出现暴沸、球化等现象,造成熔池不稳定,极易产生冶金缺陷,影响成型精度和质量,降低其服役性能。
[0004]综上,传统的激光熔覆工艺仍存在能力利用率低,容易产生气孔的缺陷。
发明内容
[0005]为了提高激光熔覆工艺的能量利用率同时降低气孔的产生,本申请提供一种锡铜合金及锡铜合金激光熔覆工艺。
[0006]第一方面,本申请提供一种锡铜合金,采用如下的技术方案:
一种锡铜合金,包括以下质量百分比的原料:Sn 11%-13%、P 0.05%-2.0%、Ni0.5%-5.0%、Cr 0.5%-3.5%、稀土元素0.2-2.0%,余量为铜及不可去除的杂质,所述稀土元素为La及Ce中一种或两种的混合物,La、Ce及P以磷铜球形式添加,所述锡铜合金的成品粉末粒径介于50-120μm。
[0007]优选的,所述稀土元素为La及Ce的混合物。
[0008]优选的,所述锡铜合金包括以下质量百分比的原料:
Sn 11%-13%、P 0.05%-2.0%、Ni 0.5%-5.0%、Cr 0.5%-3.5%、La 0.1%-1.0%及Ce0.1-1.0%,余量为铜及不可去除的杂质,La、Ce及P以磷铜球形式添加,所述锡铜合金的成品粉末粒径介于50-120μm。
[0009]为了有效提高激光熔覆工艺的能量利用率,申请人首先考虑采用短波长的绿色激光作为光源,从而提高铜的能量吸收率,但是绿光激光器的价格相对较高,从而导致性价比相对较低,而且精度控制较差,因此仍有完善空间。
[0010]为此,申请人又想到使用粒径相对更小的粉末原料,在提高能量吸收率的同时还可以提高成型精度,但细粉的制备将导致气孔率增加,进而导致锡铜合金的机械性能、耐腐蚀性能及导电性能变差。
[0011]而为了改善使用小粒径粉末原料而导致的锡铜合金气孔率增加的缺陷,申请人首先想到采用PVD蒸镀的方式对原料粉末进行改性,从而降低锡铜合金激光成型过程中的气孔率,但是,PVD蒸镀工艺复杂,不利于大规模应用。
[0012]为此,申请人又想到在锡铜合金粉末中引入具有降低熔体黏度作用的稀土元素和提高熔体黏度的铬元素,采用竞争机制调节激光成型过程中锡青铜熔体的黏度,维持熔体稳定,进而促使原生气孔的上浮排出,达到降低气孔的目的。同时,利用稀土元素和铬元素在铜中溶解度较低且熔点差距较大的特点,原位析出沉淀强化相,抑制晶粒长大,进而提高耐磨性能。
[0013]当稀土元素为La及Ce的混合物时,由于La与Ce对氢氧的亲和力较强,因此可以夺取锡铜金属液中的一种氧化物的氧,从而形成大量的La2O3、Ce2O3、La(OH)3、Ce(OH)3粒子,从而使锡铜合金的宏观组织细化。
[0014]同时,随着La及Ce的添加,由于其合金化作用,使得锡铜合金的过冷度增大,而合金的微观组织正是取决于生长过程和生长条件的过冷度,即在该条件下,锡铜合金的二次枝晶间距变小。另外,在锡铜合金相生长过程中,La、Ce还将聚集于锡铜合金相周围,降低固液表面张力,使固液面前沿成分过冷增大,进一步促使枝晶得到细化。
[0015]而相对于单独使用La或者Ce来说,将La及Ce混合使用可以促使形成的La2O3、Ce2O3、La(OH)3、Ce(OH)3粒子更多,从而促使锡铜合金的宏观组织及微观组织更为细化,最终表现为获得更低的气孔率。
[0016]而且,当La及Ce采用上述质量百分比时,锡铜合金内将形成更多的La2O3、Ce2O3、La(OH)3、Ce(OH)3粒子,从而促使锡铜合金的宏观组织及微观组织更为细化,最终表现为获得更低的气孔率。
[0017]优选的,所述锡铜合金成品粉末的制备方法为:首先将铜、锡、镍、铬加入至真空熔炼坩埚中,采用感应加热的方式将金属熔化,当金属液温度达到1000-1300℃时,采用二次加料的方式向金属液中加入磷铜及稀土元素,而后保温5-30min,最后将金属液倒入中间包坩埚中并将金属液通过气雾化制备成球形金属粉末,最后冷却并气流分级,得到锡铜合金成品粉末。
[0018]当熔炼温度介于1000-1300℃时,锡铜合金成品粉末的收率相对更高,而由于磷元素及稀土元素容易烧损,长时间的熔炼将导致元素的比例不好控制,因此采用二次加料的方式可以促使磷元素及稀土元素在短时间内熔化,从而保证元素的平衡,最终获得更为优良的气孔抑制效果。
[0019]优选的,所述磷铜球的制备方法为:首先将磷铜合金加入至真空熔炼坩埚中,采用感应加热的方式将金属熔化,当金属液温度达到1000-1300℃后,加入La及Ce熔化混合均匀,得到磷铜熔液,而后通过连铸机将磷铜熔液冷却结晶成磷铜杆,再将磷铜杆依次经过镦球机、抛光机、清洗机和包装机加工成磷铜球。
[0020]本申请中,La、Ce及P采用磷铜球的形式添加,促使磷铜球持续对La、Ce及P进行保护,进一步降低La、Ce及P出现烧损的可能性,间接促使锡铜合金获得更低的气孔率。
[0021]优选的,气雾法制备球形金属粉末中,雾化气体选用高纯氩气,熔炼室与气雾室压差小于0.3MPa,高压雾化气体的压力为4-5MPa。
[0022]第二方面,本申请提供一种锡铜合金激光熔覆工艺,采用如下的技术方案:
一种锡铜合金激光熔覆工艺,其采用激光熔覆的方式将上述锡铜合金的成品粉末附着于构件上;
所述激光熔覆采用窄光斑,激光光斑直径5mm,激光功率1500-3000千瓦,熔覆速度400-800mm/min;
成型完成后对构件进行切割、打磨、抛光处理。
[0023]一种锡铜合金激光熔覆工艺,其采用激光熔覆的方式将上述锡铜合金的成品粉末附着于构件上;
所述激光熔覆采用宽光斑,激光光斑尺寸为20mm×4mm,激光功率8000-15000千瓦,熔覆速度200-600mm/min;
成型完成后对构件进行切割、打磨、抛光处理。
[0024]在激光熔覆方面,如激光功率过小,熔池不明显,导致气孔产生,但没有足够的时间排出气孔,如激光功率过大,导致气孔产生过多,无法排出。熔覆速度过慢,效率降低及稀释率过高;熔覆速度过快,影响气孔排出效率,导致气孔产生。
[0025]为此,申请人进行大量测试发现,直径5mm光斑的设备,激光功率为1500-3000千瓦,熔覆速度400-800mm/min较为合适;20mm×4mm矩形光斑的设备,激光功率为8000-15000千瓦,熔覆速度200-600mm/min较为合适。
[0026]综上所述,本申请具有以下有益效果:
1、本申请在锡铜合金粉末中引入具有降低熔体黏度作用的稀土元素和提高熔体黏度的铬元素,采用竞争机制调节激光成型过程中锡青铜熔体的黏度,维持熔体稳定,进而促使原生气孔的上浮排出,达到降低气孔的目的。同时,利用稀土元素和铬元素在铜中溶解度较低且熔点差距较大的特点,原位析出沉淀强化相,抑制晶粒长大,进而提高耐磨性能;
同时,当熔炼温度介于1000-1300℃时,锡铜合金成品粉末的收率相对更高,而由于磷元素及稀土元素容易烧损,长时间的熔炼将导致元素的比例不好控制,因此采用二次加料的方式可以促使磷元素及稀土元素在短时间内熔化,从而保证元素的平衡,最终获得更为优良的气孔抑制效果;
进一步的,La、Ce及P采用磷铜球的形式添加,促使磷铜球持续对La、Ce及P进行保护,进一步降低La、Ce及P出现烧损的可能性,间接促使锡铜合金获得更低的气孔率。
[0027]2、当稀土元素为La及Ce的混合物时,由于La与Ce对氢氧的亲和力较强,因此可以夺取锡铜金属液中的一种氧化物的氧,从而形成大量的La2O3、Ce2O3、La(OH)3、Ce(OH)3粒子,从而使锡铜合金的宏观组织细化;
同时,随着La及Ce的添加,由于其合金化作用,使得锡铜合金的过冷度增大,而合金的微观组织正是取决于其生长过程和生长条件的过冷度,即在该条件下,锡铜合金的二次枝晶间距变小;
另外,在锡铜合金相生长过程中,La、Ce还将聚集于锡铜合金相周围,降低固液表面张力,使固液面前沿成分过冷增大,进一步促使枝晶得到细化。
[0028]3、在激光熔覆方面,如激光功率过小,熔池不明显,导致气孔产生,但没有足够的时间排出气孔,如激光功率过大,导致气孔产生过多,无法排出。熔覆速度过慢,效率降低及稀释率过高;熔覆速度过快,影响气孔排出效率,导致气孔产生;
为此,申请人进行大量测试发现,直径5mm光斑的设备,激光功率为1500-3000千瓦,熔覆速度400-800mm/min较为合适;20mm×4mm矩形光斑的设备,激光功率为8000-15000千瓦,熔覆速度200-600mm/min较为合适。
[0029]4、本申请的锡铜合金对激光熔覆适应性较好,同时激光熔覆工艺的参数窗口较宽,可有效改善设备噪声或环境变化对涂层质量均一性的影响,而且锡铜合金各元素环保无害,对环境更为友好。
附图说明
[0030]图1是实施例1的气孔情况图;
图2是对比例1的气孔情况图;
图3是实施例2的气孔情况图;
图4是对比例2的气孔情况图。
具体实施方式
[0031]以下结合图1-图4、实施例1-实施例9和对比例1-对比例2对本申请作进一步详细说明。
[0032]原料:
[0033]Cu紫铜、P-Cu磷铜、Sn锡、Ni镍、Cr铬、La镧及Ce铈均为常规市售。
[0034]实施例1
[0035]一种锡铜合金,包括以下质量百分比的原料:Sn 12.0%、P 1.0%、Ni 2.0%、Cr1.0%、La0.3%、Ce0.3%,余量为铜及不可去除的杂质;
锡铜合金成品粉末的制备方法为:首先将78.9kg紫铜、12kg锡、2kg镍、1kg铬加入至真空熔炼坩埚中,抽真空至10Pa,采用中频感应熔炼,熔炼功率150千瓦,熔炼90min后,金属全部熔化,金属液温度采用红外双比色测温仪进行测量;
当熔液温度达到1150℃后,采用二次加料的方式向金属液中加入磷铜球,而后保温15min,待金属液澄清后,将金属液倒入中间包坩埚中,中间包温度1000℃,同时开启高压气体进行雾化,将金属液雾化成球形金属液滴并快速冷却凝固,待完全冷却后,将粉末进行气流分级,选出粒径为50-120μm的部分,即为锡铜合金成品粉末;
气雾法制备球形金属粉末中,雾化气体选用高纯氩气,熔炼室与气雾室压差小于0.3MPa,高压雾化气体的压力为5MPa。
[0036]其中,磷铜球由磷铜、镧及铈构成,含量为:磷铜5.5kg,镧0.3kg,铈0.3kg;
磷铜球的制备方法为:
首先将磷铜合金加入至真空熔炼坩埚中,采用感应加热的方式将金属熔化,当金属液温度达到1150℃后,加入镧及铈熔化混合均匀,得到磷铜熔液,而后通过连铸机将磷铜熔液冷却结晶成磷铜杆,再将磷铜杆依次经过镦球机、抛光机、清洗机和包装机加工成磷铜球。
[0037]一种锡铜合金激光熔覆工艺,其采用激光熔覆的方式将上述锡铜合金的成品粉末附着于构件上;
激光熔覆采用窄光斑,激光光斑直径5mm,激光功率2100千瓦,熔覆速度600mm/min;
成型完成后对构件进行切割、打磨、抛光处理。
[0038]实施例2
[0039]一种锡铜合金,包括以下质量百分比的原料:Sn 12.0%、P 1.0%、Ni 2.0%、Cr1.5%、La0.5%、Ce0.5%,余量为铜及不可去除的杂质;
锡铜合金成品粉末的制备方法为:首先将78kg紫铜、12kg锡、2kg镍、1.5kg铬加入至真空熔炼坩埚中,抽真空至10Pa,采用中频感应熔炼,熔炼功率150千瓦,熔炼90min后,金属全部熔化,金属液温度采用红外双比色测温仪进行测量;
当熔液温度达到1150℃后,采用二次加料的方式向金属液中加入磷铜球,而后保温15min,待金属液澄清后,将金属液倒入中间包坩埚中,中间包温度1000℃,同时开启高压气体进行雾化,将金属液雾化成球形金属液滴并快速冷却凝固,待完全冷却后,将粉末进行气流分级,选出粒径为50-120μm的部分,即为锡铜合金成品粉末;
其中,磷铜球由磷铜、镧及铈构成,含量为:磷铜5.5kg,镧0.5kg,铈0.5kg;
磷铜球的制备方法为:
首先将磷铜合金加入至真空熔炼坩埚中,采用感应加热的方式将金属熔化,当金属液温度达到1150℃后,加入镧及铈熔化混合均匀,得到磷铜熔液,而后通过连铸机将磷铜熔液冷却结晶成磷铜杆,再将磷铜杆依次经过镦球机、抛光机、清洗机和包装机加工成磷铜球。
[0040]一种锡铜合金激光熔覆工艺,其采用激光熔覆的方式将上述锡铜合金的成品粉末附着于构件上;
激光熔覆采用宽光斑,激光光斑尺寸20mm×4mm,激光功率8500千瓦,熔覆速度400mm/min;
成型完成后对构件进行切割、打磨、抛光处理。
[0041]实施例3
[0042]与实施例1的不同之处在于,磷铜球为直接添加,不再进行二次添加处理。
[0043]实施例4
[0044]与实施例1的不同之处在于,磷铜、镧及铈为直接添加,不再进行磷铜球处理。
[0045]实施例5
[0046]与实施例4的不同之处在于,不再添加镧,缺失部分用铜补足。
[0047]实施例6
[0048]与实施例4的不同之处在于,不再添加铈,缺失部分用铜补足。
[0049]实施例7-实施例8
[0050]与实施例4的不同之处在于,镧及铈的质量百分比有所不同,具体如表1所示。
[0051]表1 实施例4及实施例7-实施例8的稀土元素各组分质量百分比表
[0052]实施例9
[0053]与实施例4的不同之处在于,不再添加稀土元素镧及铈。
[0054]对比例1
[0055]与实施例1的不同之处在于,锡铜合金中不再添加Cr、La及Ce,缺失部分用铜补足。
[0056]对比例2
[0057]与实施例2的不同之处在于,锡铜合金中不再添加Cr、La及Ce,缺失部分用铜补足。
[0058]性能检测试验
[0059]锡铜合金孔隙率测试
从实施例1-实施例9及对比例1-对比例2中分别取出三份样品,随后参照ASTMB276-05(2015)《硬质合金表观孔隙率的标准试验方法》对上述样品的孔隙率进行测试并取平均值。
[0060]检测数据如表2所示。
[0061]表2 实施例1-实施例9及对比例1-对比例2的检测数据表
[0062]为了有效提高激光熔覆工艺的能量利用率,申请人首先考虑采用短波长的绿色激光作为光源,从而提高铜的能量吸收率,但是绿光激光器的价格相对较高,从而导致性价比相对较低,而且精度控制较差,因此仍有完善空间。
[0063]为此,申请人又想到使用粒径相对更小的粉末原料,在提高能量吸收率的同时还可以提高成型精度,但细粉的制备将导致气孔率增加,进而导致锡铜合金的机械性能、耐腐蚀性能及导电性能变差。
[0064]而为了改善使用小粒径粉末原料而导致的锡铜合金气孔率增加的缺陷,申请人首先想到采用PVD蒸镀的方式对原料粉末进行改性,从而降低锡铜合金激光成型过程中的气孔率,但是,PVD蒸镀工艺复杂,不利于大规模应用。
[0065]而在锡铜合金粉末中引入具有降低熔体黏度作用的稀土元素和提高熔体黏度的铬元素,采用竞争机制调节激光成型过程中锡青铜熔体的黏度,维持熔体稳定,进而促使原生气孔的上浮排出,达到降低气孔的目的。同时,利用稀土元素和铬元素在铜中溶解度较低且熔点差距较大的特点,原位析出沉淀强化相,抑制晶粒长大。
[0066]具体的,参照实施例1-实施例2、对比例1-对比例2及表2并结合图1-图2可以看出,相对于对比例1-对比例2来说,实施例1-实施例2的孔隙率均显著降低,由此说明,Cr、La及Ce的添加可以有效减少锡铜合金中的气泡产生。
[0067]另外,在激光熔覆方面,如激光功率过小,熔池不明显,导致气孔产生,但没有足够的时间排出气孔,如激光功率过大,导致气孔产生过多,无法排出。熔覆速度过慢,效率降低及稀释率过高;熔覆速度过快,影响气孔排出效率,导致气孔产生。
[0068]为此,申请人进行大量测试发现,直径5mm光斑的设备,激光功率为1500-3000千瓦,熔覆速度400-800mm/min较为合适;20mm×4mm矩形光斑的设备,激光功率为8000-15000千瓦,熔覆速度200-600mm/min较为合适。
[0069]参照实施例1及实施例3并结合表2可以看出,相对于实施例1来说,实施例3的孔隙率明显有所提升,由此说明,相对于直接添加磷铜球来说,将磷铜球进行二次添加处理可以进一步减少锡铜合金中气孔的产生。
[0070]究其原因在于,当熔炼温度介于1000-1300℃时,锡铜合金成品粉末的收率相对更高,而由于磷元素及稀土元素容易烧损,长时间的熔炼将导致元素的比例不好控制,因此采用二次加料的方式可以促使磷元素及稀土元素在短时间内熔化,从而保证元素的平衡,最终获得更为优良的气孔抑制效果。
[0071]参照实施例1及实施例4并结合表2可以看出,相对于实施例1来说,实施例4的孔隙率明显有所提升,由此说明,将La、Ce及P采用磷铜球的形式添加可以进一步减少锡铜合金中气孔的产生。
[0072]究其原因在于,当La、Ce及P采用磷铜球的形式添加时,磷铜球将持续对La、Ce及P进行保护,有效降低La、Ce及P出现烧损的可能性,间接促使锡铜合金获得更低的气孔率。
[0073]参照实施例4-实施例6并结合表2可以看出,相对于实施例4来说,实施例5-实施例6具有相对更高的孔隙率,由此说明,相对于单独使用镧或者铈来说,将镧及铈配合使用时,制备得到的锡铜合金将具有更低的孔隙率。
[0074]究其原因在于,当稀土元素为La及Ce的混合物时,由于La与Ce对氢氧的亲和力较强,因此可以夺取锡铜金属液中的一种氧化物的氧,从而形成大量的La2O3、Ce2O3、La(OH)3、Ce(OH)3粒子,从而使锡铜合金的宏观组织细化。
[0075]同时,随着La及Ce的添加,由于其合金化作用,使得锡铜合金的过冷度增大,而合金的微观组织正是取决于生长过程和生长条件的过冷度,即在该条件下,锡铜合金的二次枝晶间距变小。另外,在锡铜合金相生长过程中,La、Ce还将聚集于锡铜合金相周围,降低固液表面张力,使固液面前沿成分过冷增大,进一步促使枝晶得到细化。
[0076]而相对于单独使用La或者Ce来说,将La及Ce混合使用可以促使形成的La2O3、Ce2O3、La(OH)3、Ce(OH)3粒子更多,从而促使锡铜合金的宏观组织及微观组织更为细化,最终表现为获得更低的气孔率。
[0077]参照实施例4及实施例7-实施例8并结合表2可以看出,相对于实施例4来说,实施例7-实施例8的孔隙率明显有所提升,由此说明,镧及铈采用实施例4的质量百分比时,制备得到的锡铜合金将具有更低的孔隙率。
[0078]究其原因可能在于,当La及Ce采用上述质量百分比时,锡铜合金内将形成更多的La2O3、Ce2O3、La(OH)3、Ce(OH)3粒子,从而促使锡铜合金的宏观组织及微观组织更为细化,最终表现为获得更低的气孔率。
[0079]参照实施例4及实施例9并结合表2可以看出,相对于实施例4来说,实施例9的孔隙率明显有所提升,由此进一步说明,镧及铈的添加可以有效降低锡铜合金的孔隙率。
[0080]本具体实施例仅仅是对本申请的解释,其并不是对本申请的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
说明书附图(4)
声明:
“锡铜合金及锡铜合金激光熔覆工艺” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究,如用于商业用途,请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)