本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法。
背景技術(shù):
銅合金具有極好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及較高的機(jī)械強(qiáng)度,這是銅合金作為電接觸元件、散熱件、結(jié)晶器、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室以及其他內(nèi)襯零件理想材料的原因。然而,這種屬性卻為銅合金的3D打?。ㄔ霾闹圃欤?lái)困難。由于銅合金對(duì)激光的反射率太高,大部分光束都被反射了,因而激光能量的有效吸收率較低。一方面,被反射的激光被投射到臨近粉體顆粒上,激光能量傳遞到設(shè)定燒結(jié)區(qū)的臨近區(qū)域造成溢出融化焊合,使模型的表面質(zhì)量劣化,精確度降低;反射嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐纱蛴^(qū)域內(nèi)出現(xiàn)球化結(jié)晶而形成拱起的球形熔滴,嚴(yán)重影響下一層粉末的順利鋪粉,最終難以實(shí)現(xiàn)銅合金粉末的逐層連續(xù)熔化而造成打印失敗。另一方面,激光束有一部分被反射回激光發(fā)生器,有可能對(duì)激光發(fā)生器造成損壞,因此也不能依賴一味提高激光輸出功率來(lái)獲得銅粉連續(xù)熔化所需的能量吸收。3D打印過(guò)程中用于熔化銅合金粉末的激光能量不僅取決于激光發(fā)生器的輸出功率,更重要的是取決于材料對(duì)激光的吸收程度。
由于3D打印對(duì)粉體含氧量的要求極為苛刻,因此在制粉工藝選擇上,本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易將思路集中在采用惰性氣體進(jìn)行霧化這一固定模式上。惰性氣體霧化法制得的銅粉雖然含氧量較低,但所獲得的球形銅粉的表面從微觀上看較為平滑。光滑的銅粉表面對(duì)激光的反射率很高,不利于激光能量的吸收。
有鑒于此,本發(fā)明旨在提供一種用于3D打印的低反射率球形Cu粉的制備方法,其從銅粉的制備方法入手,先對(duì)霧化銅粉進(jìn)行低溫氧化,使其顆粒表面密集生成凹凸不平的島狀氧化產(chǎn)物;然后再對(duì)表面發(fā)生氧化的銅粉進(jìn)行還原,最終使銅粉的含氧量滿足3D打印要求,同時(shí)銅粉微觀上呈現(xiàn)出氧化狀態(tài)時(shí)較大的表面粗糙度。這一工藝設(shè)計(jì)有效降低了激光的反射率,提高了銅粉吸收的激光能量率,使銅粉3D打印過(guò)程得以順利完成。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,而提供一種用于3D打印的低反射率球形Cu粉的制備方法,其從銅粉的制備方法入手,先對(duì)霧化銅粉進(jìn)行氧化,使其顆粒表面密集生成凹凸不平的島狀氧化產(chǎn)物;然后再對(duì)氧化銅粉進(jìn)行還原,最終使銅粉的含氧量滿足3D打印要求,同時(shí)銅粉微觀上呈現(xiàn)出氧化狀態(tài)時(shí)較大的表面粗糙度。這一工藝設(shè)計(jì)有效降低了激光的反射率,提高了銅粉吸收的激光能量率,使銅粉3D打印過(guò)程得以順利完成。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
一種用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法,至少包括以下步驟:
S1,以銅或銅合金為原料,采用氣霧化法制得霧化銅粉;
S2,對(duì)S1得到的霧化銅粉進(jìn)行篩分,分成不同規(guī)格的銅粉;
S3,分別對(duì)S2篩分后得到的不同規(guī)格的銅粉進(jìn)行低溫氧化焙燒,使銅粉發(fā)生表面氧化;
S4,將S3得到的表面氧化后的銅粉置于氫氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行還原焙燒,使發(fā)生表面氧化的銅粉重新被還原為銅粉。
其中,S1采用氣霧化法制得的霧化銅粉具有粉末粒度細(xì)小、球形度高、氧含量低、成本低的特點(diǎn),其基本原理是利用高速氣流將液態(tài)金屬流粉碎成小液滴并凝固成粉末;S2進(jìn)行篩分的目的是得到適合于3D打印用的目數(shù)范圍的銅粉;S3先促使銅粉表面發(fā)生氧化反應(yīng)生成粗糙的表面,以改變S1中得到的銅粉的表面較為光滑的特征(光滑的表面對(duì)激光的反射率很高,不利于激光能量的吸收);S4再將表面發(fā)生氧化的銅粉進(jìn)行氫氣氣氛保護(hù)還原,使銅粉氧含量在降低至要求值的同時(shí),銅粉表面依然保持氧化后表面粗糙度較大的特征,以降低激光照射時(shí)銅粉表面的反射率,提高銅粉吸收的激光能量率,使銅粉3D打印過(guò)程得以順利完成。
作為本發(fā)明用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法的一種改進(jìn),S1中,銅為電解銅或無(wú)氧銅,銅合金為Cu與以下元素中的至少一種形成的合金:Sn、Zn、Al、Ni、Ti、Ag、Co、Cr、Mn、P、V、Fe、Si、B、P和Re。
作為本發(fā)明用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法的一種改進(jìn),S1中,氣霧化法所采用的霧化介質(zhì)氣體為空氣、氮?dú)饣驓鍤狻?/p>
作為本發(fā)明用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法的一種改進(jìn),S1中制得的霧化銅粉為球形或類球形,粒度范圍為5μm-150μm。
作為本發(fā)明用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法的一種改進(jìn),S2中對(duì)S1得到的霧化銅粉進(jìn)行篩分后,至少得到含有以下規(guī)格的銅粉:目數(shù)在300-500目范圍內(nèi)的銅粉(選區(qū)激光融化成型法(SLM)用到的銅粉)或目數(shù)在80-200目范圍內(nèi)的銅粉(電子束熔融成型法(EBM)用到的銅粉)。
作為本發(fā)明用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法的一種改進(jìn),S3中氧化焙燒的焙燒介質(zhì)為空氣,焙燒溫度為150℃-350℃,焙燒持續(xù)時(shí)間為0.5h-6h,焙燒后的銅粉為棕黑色或棕紅色。通過(guò)控制焙燒溫度和焙燒持續(xù)時(shí)間,可以控制得到的氧化銅粉的表面粗糙度。
作為本發(fā)明用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法的一種改進(jìn),還原焙燒是將S3中氧化焙燒后發(fā)生表面氧化的銅粉放入還原爐中,通入氨分解氫氣進(jìn)行還原,還原溫度為350℃-800℃,還原時(shí)間為0.5h-3h。氨分解氫氣即通過(guò)分解氨氣得到的氫氣,還原后的銅粉為明亮的玫瑰紅色。通過(guò)控制還原溫度和還原時(shí)間,可以控制得到的銅粉的含氧量。
作為本發(fā)明用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法的一種改進(jìn),S4得到的銅粉的含氧量小于0.25%,能夠滿足3D打印對(duì)含氧量的要求。
作為本發(fā)明用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法的一種改進(jìn),S4得到的銅粉的表面粗糙度比S1得到的霧化銅粉的粗糙度大20%-200%。
作為本發(fā)明用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法的一種改進(jìn),S4得到的銅粉的比表面積比S1得到的霧化銅粉的比表面積大20%-200%。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明提供的用于3D打印的低反射率球形Cu粉的制備方法,其先采用氣霧化法制得霧化銅粉,然后再篩分,得到適合3D打印用的粒徑范圍內(nèi)的銅粉,然后再對(duì)霧化銅粉進(jìn)行氧化,使其顆粒表面密集生成凹凸不平的島狀氧化產(chǎn)物;然后再對(duì)發(fā)生表面氧化的銅粉進(jìn)行還原,最終使銅粉的含氧量滿足3D打印要求,同時(shí)銅粉微觀上呈現(xiàn)出氧化狀態(tài)時(shí)較大的表面粗糙度。這一工藝設(shè)計(jì)有效降低了激光的反射率,提高了銅粉吸收的激光能量率,使銅粉3D打印過(guò)程得以順利完成。實(shí)踐表明,采用本發(fā)明制備得到的銅粉具有低的含氧量(<0.25%),且銅粉微觀結(jié)構(gòu)顯示其表面狀態(tài)較霧化初始得到的銅粉要粗糙許多,本發(fā)明制備得到的銅粉即為適合3D打印的低反射率球形銅粉。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中S1得到的霧化銅粉的表面狀態(tài)SEM圖;
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中S4得到的銅粉的表面狀態(tài)SEM圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述,但本發(fā)明的實(shí)施方式并不僅限于此。
實(shí)施例1
本實(shí)施例提供了一種用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法,至少包括以下步驟:
S1,以電解銅為原料,采用氣霧化法制得霧化銅粉,霧化介質(zhì)氣體為空氣,制得的霧化銅粉為球形或類球形,粒度范圍為5μm-150μm;
S2,對(duì)S1得到的霧化銅粉進(jìn)行篩分,分成不同規(guī)格的銅粉;
S3,將目數(shù)在300-500目范圍內(nèi)的銅粉(規(guī)格)置于坩堝內(nèi)進(jìn)行氧化焙燒,使銅粉表面與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而生成粗糙表面,其中,焙燒介質(zhì)為空氣,焙燒溫度為300℃,焙燒持續(xù)時(shí)間為3h,焙燒后的銅粉為棕黑色;
S4,將S3得到的表面氧化后的銅粉置于氫氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行還原焙燒,使發(fā)生表面氧化的銅粉重新被還原為銅粉。具體的,將S3中氧化焙燒后的氧化銅粉放入還原爐中,通入氨分解氫氣進(jìn)行還原,還原溫度為400℃,還原時(shí)間為2h。氨分解氫氣即通過(guò)分解氨氣得到的氫氣,還原后的銅粉為明亮的玫瑰紅色。經(jīng)測(cè)試,S4得到的銅粉的含氧量為0.21%,能夠滿足3D打印對(duì)含氧量的要求。
此外,對(duì)S1得到的霧化銅粉進(jìn)行SEM測(cè)試,所得結(jié)果見圖1,并對(duì)S4得到的銅粉進(jìn)行SEM測(cè)試,所得結(jié)果見圖2;比較圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn):經(jīng)過(guò)本發(fā)明的篩分、氧化和還原處理,銅粉表面的粗糙度明顯增大。
同時(shí),對(duì)S1得到的霧化銅粉和S4得到的銅粉進(jìn)行粒徑分布測(cè)試,得到D50和D90數(shù)據(jù),所得結(jié)果見表1,并對(duì)S1得到的霧化銅粉和S4得到的銅粉進(jìn)行振實(shí)密度和比表面積測(cè)試,所得結(jié)果見表1。
由表1可以看出:本發(fā)明制備得到的銅粉具有較高的比表面積。
實(shí)施例2
本實(shí)施例提供了一種用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法,至少包括以下步驟:
S1,以磷銅合金(磷含量為0.4wt.%)為原料,采用氣霧化法制得霧化銅粉,霧化介質(zhì)氣體為空氣,制得的霧化銅粉為球形或類球形,粒度范圍為5μm-150μm;
S2,對(duì)S1得到的霧化銅粉進(jìn)行篩分,分成不同規(guī)格的銅粉;
S3,將目數(shù)在300-500目范圍內(nèi)的銅粉(規(guī)格)置于坩堝內(nèi)進(jìn)行氧化焙燒,使銅粉表面與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而生成粗糙表面,其中,焙燒介質(zhì)為空氣,焙燒溫度為250℃,焙燒持續(xù)時(shí)間為5h,焙燒后的銅粉為棕黑色;
S4,將S3得到的表面氧化后的銅粉置于氫氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行還原焙燒,使發(fā)生表面氧化的銅粉重新被還原為銅粉。具體的,將S3中氧化焙燒后的氧化銅粉放入還原爐中,通入氨分解氫氣進(jìn)行還原,還原溫度為500℃,還原時(shí)間為3h。氨分解氫氣即通過(guò)分解氨氣得到的氫氣,還原后的銅粉為明亮的玫瑰紅色。經(jīng)測(cè)試,S4得到的銅粉的含氧量為0.23%,能夠滿足3D打印對(duì)含氧量的要求。
此外,對(duì)S1得到的霧化銅粉和S4得到的銅粉進(jìn)行粒徑分布測(cè)試,得到D50和D90數(shù)據(jù),所得結(jié)果見表1,并對(duì)S1得到的霧化銅粉和S4得到的銅粉進(jìn)行振實(shí)密度和比表面積測(cè)試,所得結(jié)果見表1。
由表1可以看出:本發(fā)明制備得到的銅粉具有較高的比表面積。
實(shí)施例3
本實(shí)施例提供了一種用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法,至少包括以下步驟:
S1,以青銅(CuSn10)為原料,采用氣霧化法制得霧化銅粉,霧化介質(zhì)氣體為空氣,制得的霧化銅粉為球形或類球形,粒度范圍為5μm-150μm;
S2,對(duì)S1得到的霧化銅粉進(jìn)行篩分,分成不同規(guī)格的銅粉;
S3,將目數(shù)在80-200目范圍內(nèi)的銅粉(規(guī)格)置于坩堝內(nèi)進(jìn)行氧化焙燒,使銅粉表面與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而生成粗糙表面,其中,焙燒介質(zhì)為空氣,焙燒溫度為200℃,焙燒持續(xù)時(shí)間為5.5h,焙燒后的銅粉為棕紅色;
S4,將S3得到的表面氧化后的銅粉置于氫氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行還原焙燒,使發(fā)生表面氧化的銅粉重新被還原為銅粉。具體的,將S3中氧化焙燒后的氧化銅粉放入還原爐中,通入氨分解氫氣進(jìn)行還原,還原溫度為560℃,還原時(shí)間為1h。氨分解氫氣即通過(guò)分解氨氣得到的氫氣,還原后的銅粉為明亮的玫瑰紅色。經(jīng)測(cè)試,S4得到的銅粉的含氧量為0.20%,能夠滿足3D打印對(duì)含氧量的要求。
此外,對(duì)S1得到的霧化銅粉和S4得到的銅粉進(jìn)行粒徑分布測(cè)試,得到D50和D90數(shù)據(jù),所得結(jié)果見表1,并對(duì)S1得到的霧化銅粉和S4得到的銅粉進(jìn)行振實(shí)密度和比表面積測(cè)試,所得結(jié)果見表1。
由表1可以看出:本發(fā)明制備得到的銅粉具有較高的比表面積。
實(shí)施例4
本實(shí)施例提供了一種用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法,至少包括以下步驟:
S1,以黃銅(CuZn38%)為原料,采用氣霧化法制得霧化銅粉,霧化介質(zhì)氣體為氮?dú)?,制得的霧化銅粉為球形或類球形,粒度范圍為5μm-150μm;
S2,對(duì)S1得到的霧化銅粉進(jìn)行篩分,分成不同規(guī)格的銅粉;
S3,將目數(shù)在80-200目范圍內(nèi)的銅粉(規(guī)格)置于坩堝內(nèi)進(jìn)行氧化焙燒,使銅粉表面與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而生成粗糙表面,其中,焙燒介質(zhì)為空氣,焙燒溫度為280℃,焙燒持續(xù)時(shí)間為3.5h,焙燒后的銅粉為棕紅色;
S4,將S3得到的表面氧化后的銅粉置于氫氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行還原焙燒,使發(fā)生表面氧化的銅粉重新被還原為銅粉。具體的,將S3中氧化焙燒后的氧化銅粉放入還原爐中,通入氨分解氫氣進(jìn)行還原,還原溫度為650℃,還原時(shí)間為2.5h。氨分解氫氣即通過(guò)分解氨氣得到的氫氣,還原后的銅粉為明亮的玫瑰紅色。經(jīng)測(cè)試,S4得到的銅粉的含氧量為0.24%,能夠滿足3D打印對(duì)含氧量的要求。
此外,對(duì)S1得到的霧化銅粉和S4得到的銅粉進(jìn)行粒徑分布測(cè)試,得到D50和D90數(shù)據(jù),所得結(jié)果見表1,并對(duì)S1得到的霧化銅粉和S4得到的銅粉進(jìn)行振實(shí)密度和比表面積測(cè)試,所得結(jié)果見表1。
由表1可以看出:本發(fā)明制備得到的銅粉具有較高的比表面積。
實(shí)施例5
本實(shí)施例提供了一種用于3D打印的低反射率球形銅粉的制備方法,至少包括以下步驟:
S1,以無(wú)氧銅為原料,采用氣霧化法制得霧化銅粉,霧化介質(zhì)氣體為空氣,制得的霧化銅粉為球形或類球形,粒度范圍為5μm-150μm;
S2,對(duì)S1得到的霧化銅粉進(jìn)行篩分,分成不同規(guī)格的銅粉;
S3,將目數(shù)在300-500目范圍內(nèi)的銅粉(規(guī)格)置于坩堝內(nèi)進(jìn)行氧化焙燒,使銅粉表面與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而生成粗糙表面,其中,焙燒介質(zhì)為空氣,焙燒溫度為220℃,焙燒持續(xù)時(shí)間為2h,焙燒后的銅粉為棕黑色;
S4,將S3得到的表面氧化后的銅粉置于氫氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行還原焙燒,使發(fā)生表面氧化的銅粉重新被還原為銅粉。具體的,將S3中氧化焙燒后的氧化銅粉放入還原爐中,通入氨分解氫氣進(jìn)行還原,還原溫度為350℃,還原時(shí)間為3.8h。氨分解氫氣即通過(guò)分解氨氣得到的氫氣,還原后的銅粉為明亮的玫瑰紅色。經(jīng)測(cè)試,S4得到的銅粉的含氧量為0.19%,能夠滿足3D打印對(duì)含氧量的要求。
此外,對(duì)S1得到的霧化銅粉和S4得到的銅粉進(jìn)行粒徑分布測(cè)試,得到D50和D90數(shù)據(jù),所得結(jié)果見表1,并對(duì)S1得到的霧化銅粉和S4得到的銅粉進(jìn)行振實(shí)密度和比表面積測(cè)試,所得結(jié)果見表1。
由表1可以看出:本發(fā)明制備得到的銅粉具有較高的比表面積。
表1:實(shí)施例1至5的S1得到的霧化銅粉和S4得到的銅粉的物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果。
根據(jù)上述說(shuō)明書的揭示和啟示,本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以基于以上基本原理對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行變更和修改。因此,本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實(shí)施方式,對(duì)本發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)歸入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。此外,盡管本說(shuō)明書中使用了一些特定的術(shù)語(yǔ),但這些術(shù)語(yǔ)只是為了方便說(shuō)明,并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。