Cu6AlNiSnInCe仿金粉末的制备及其SLM成形试验研究

发布时间：2020-06-19 20:03

【摘要】：仿金铜合金作为最常见的仿金材料满足了工艺装饰品行业对仿金材料的大量需求,激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形工艺是3D打印中应用最广的技术之一。相对于传统铸造工艺成形的仿金铜合金材料,3D打印技术与仿金材料的结合会极大提高工艺装饰品行业的定制化程度,并对SLM成形铜合金材料有一定的指导作用。传统仿金铜合金粉末外观形貌为鳞片状,而SLM成形工艺对粉末的球形度要求很高,制备出一种适用于SLM工艺的球形仿金粉末是本文要解决的首要问题,探究SLM工艺中各因素对成形件的影响规律可以获取高质量成形件。经设计优化后获取一种新型仿金铜合金Cu6AlNiSnInCe,合金中各元素的质量分数分别为:Al6.5%、Ni1.2%、Sn1.0%、In0.15%、Ce0.1%、余量为Cu,分光光度计测得该成分下铸锭与纯金间色差△E为17.5。采用真空氮气雾化法制备出Cu6AlNiSnInCe仿金粉末,筛粉后用于后续SLM成形的粉末D_(10)、D_(50)、D_(90)分别为22μm、34μm和51μm,平均粒径34μm,粒径小于15μm的粉末占比0.8%,粒径尺寸大于53μm的粉末占比5%;粉末粒度在15~53μm范围内呈现正态分布,粉末外观为球形或近球形且异形粉较少,单次雾化收得率达到40%。粒形测试显示80%的粉末其圆度拟合率达到了85%;60%的粉末其钝度拟合率达到70%,可以定量说明大多数粉末为球形或近球形;34%的粉末赘生物指数为0%,即34%的粉末表面未与其它粉末粘连。粉末流动性为16.16 s/50g;粉末松装密度为4.39 g/cm~3,振实密度为4.68 g/cm~3;平均氧含量为200 ppm。粉末的色度值为:L*=72.72,a*=2.30,b*=13.15,与纯金色度间的色差△E为28.7;粉末在波长1064 nm处的反射率偏高达到76%。粉末显微组织包括面心立方相(fcc)α-Cu基体和分布在基体上的富Sn密排六方相(fcp)δ-Cu_(41)Sn_(11)。SLM成形Cu6AlNiSnInCe粉末时,S型单向、正交扫描策略成形试样的致密度略高于Z型单向、正交扫描策略;重熔扫描策略不能明显提高试样的致密度,但预烧结扫描策略会降低试样的致密度;预烧结和重熔扫描策略能明显降低试样的表面粗糙度,并改善成形过程中的飞溅问题;试样的致密度越大,试样与纯金的色差越小。随着激光功率的增加或扫描速度的减小,SLM试样的致密度随之增大。试样的表面质量与工艺参数密切相关,激光能量密度达到400 J/mm~3,熔池表面起伏剧烈,试样表面质量较差;激光能量密度为156 J/mm~3,熔池稳定平整,试样表面质量较好;能量密度在113 J/mm~3左右时,试样表面出现球化现象且随着扫描速度的增加球化现象加剧;能量密度为104J/mm~3不足够完全熔化仿金粉末,在搭接处形成细小连续裂纹;激光能量密度低于50J/mm~3时,激光无法熔化粉末制备出外形完整的试样。SLM试样的组织中δ-Cu_(41)Sn_(11)相以微米级和纳米两种尺度弥散分布在α-Cu基体上,能改善材料的力学性能;而铸锭中δ-Cu_(41)Sn_(11)相连续分布在晶界处,对铸锭的力学性能有消极的影响。SLM试样的压缩强度和比强度均高于铸锭,同时SLM试样的耐腐蚀能力优于铸锭。通过将Cu6AlNiSnInCe粉末应用于SLM实例成形,发现近似与激光束垂直的成形面的表面尺寸偏差较大,近似与激光束平行的成形面的表面尺寸偏差较小,因此在SLM成形中应适当调整模型的摆放方向使重要的结构面避免与激光束垂直,从而使得成形件获取良好的尺寸精度。实例中的人像STL模型由230万片三角片拟合而成,尺寸精度对比分析得知三角片尺寸偏差集中在-0.2~0.4 mm的范围内,且偏差为正值的三角片数量多于偏差为负值的三角片数量,经统计三角片的平均偏差为+/-:0.20/-0.16,标准偏差为:0.23 mm,成形效果良好。本文自主研发的Cu6AlNiSnInCe仿金合金粉末不仅能满足SLM成形的要求,而且成形的装饰品和人像效果良好。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.73;TF123.2
【图文】：

示意图,色空间,示意图,色度

IE1976 色空间的三坐标轴，色空间中有一条垂直方向的。L*取值 0~100，L*值越大表明材料的亮度越亮；a*为红色的成分，a*<0，表示含有绿色成分；b*为黄蓝色轴，示含有蓝色成分。用 C 表示材料颜色在色度体系的色度C = √ 2 2 2中，色度 C 表示 CIELAB 色空间中某一点到中心原点的坐标（L1*，a1*，b1*）与（L2*，a2*，b2*）位置间的距离计算公式为：△ E = √(△ )2(△ )2(△ )2中，△L=L1*-L2*，△a=a1*-a2*，△b=b1*-b2*，均匀色空间。

示意图,工艺原理,示意图

图 1-2 SLM 工艺原理示意图[14]Fig.1-2 Schematic diagram of SLM technical principle于 SLM 工艺的成形原理，不难看出相对于传统成形方法 SLM 工艺优势明、晶粒细化、避免偏析。SLM 工艺本身赋予了零件快冷的组织特征，在极，晶粒得到细化，零件的整体性能得以提升；同时极高的过冷度下，易偏扩散熔融金属液就已经凝固结晶，最终组织中不会出现大区域成分偏析相极小的范围内出现析出相[15]。、节能环保。相对于传统减材成形工艺，SLM 工艺在材料利用率方面远高于除支撑外几乎不浪费原材料，是一种更加环保和节能的成形工艺。、缩短新产品开发周期。传统新产品的开发过程需要多次制作模具并修整产品的形态，耗费大量的人力物力，延长产品开发周期是限制产品快速改障碍。采用 SLM 工艺用于新产品的开发，不仅可以极大缩短前期模具试错

【参考文献】