选择性激光烧结铜基复合材料工艺及性能研究

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增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术最早出现于上世纪80年代,是一种基于材料层层堆积法的新型制造方法,它是集计算机图形处理、数字化信息控制、激光技术、机电技术和材料科学技术等多项高科技术优势的制造方式。选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)作为增材制造技术的一个重要分支,因其成形材料种类广泛、材料利用率高等优点而受到关注。根据当前选择性激光烧结的研究现状和特点,通过对SLS混合粉末体系原材料成形性的深入分析。本课题设计与制备了一种Cu-SnBi58-松香混合粉末体系,对此种混合粉末体系烧结成型的机理进行了深入的分析。研究了粉末材料特征和工艺参数两大方面因素对烧结件成形性的影响规律,并对烧结件进行熔渗等后处理工艺。分析了化学特性和粉末颗粒形貌及粒径等物理特征对激光成形性的影响规律,从实验上分析了激光功率、扫描速度、铺粉厚度、扫描间距等工艺参数因素对烧结件致密度、力学性能等影响。分析了熔渗过程中浸渗液与基体作用的机理,剖析了制件力学性能提高的作用机制。利用扫描电镜及能谱仪(SEM-EDS)、光学显微镜(OM)、热重分析(TGA)、差示扫描量热分析(DSC)、X射线衍射(XRD)等分析测试手段对原始粉末材料、烧结件、后处理试样的组织、性能进行表征,分析对比了原始粉末材料、烧结件、后处理试样在组织形貌、物相组成、致密度等方面的差异。实验研究表明Cu基复合材料试样的SLS成型过程为液相烧结机制:激光烧结过程中Cu颗粒不熔化,充当骨架金属;SnBi58合金粉末受热熔化形成液相,润湿、包覆并黏结固相颗粒,松香主要起脱氧剂的作用。实验研究表明球形度好、粗细颗粒搭配的混合粉末具有更好的成形性,经优化后的各种粉末配比为:Cu:SnBi58:松香=70:29.95:0.05。激光功率与烧结件成形性成正相关,在一定范围内,烧结件各方面性能随着激光功率的增加而提高。扫描速度、铺粉厚度、扫描间距与烧结件成形性成负相关,在一定范围内,烧结件各方面性能随着参数的减小而提高。通过综合调控能量密度(即各工艺参数),获得性能良好的烧结件。经多次烧结实验,优化得到的最佳工艺参数:激光功率P=30W,扫描速度V=50100mm/s,铺粉厚度δ=0.15mm,扫描间距L=0.15mm。实验研究表明对烧结件进行熔渗SnBi58合金液处理,合金液在重力和表面张力作用下,可逐步渗入和填满这些空隙,并与Cu基粉末发生合金化反应。Sn元素向Cu粉基体中充分扩散,在富Cu的条件下发生如下完全反应6Cu+5Sn→Cu6Sn5、Cu6Sn5+9Cu→5Cu3Sn,即Cu几乎完全与Sn反应形成了Cu3Sn稳定相。金属Bi不参与反应,而是充填在Cu粉之间的间隙处,起到连接Cu粉的作用。
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