[发明专利]一种高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法

说明书

本发明公开一种高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法，属于精密制造领域。本发明所述方法为：首先建立复杂零件三维数字模型；然后将其切片离散获得的分层扫描数据导入电子束扫描控制软件；随后在真空条件下将球形铜粉均匀铺设在预热到150～250℃的铜板上；使用聚焦电子束根据分层扫描数据扫描熔化粉层，结束后再使用小电流离焦电子束扫描粉层使温度均匀化。重复铺粉、熔化和均匀化过程，逐层熔化凝固累积，直到零件打印完成。最后在真空条件下冷却到50℃以下后，打开成形腔清理后即可获得致密度超过98.5％的高致密度纯铜复杂零件。本发明能够克服纯铜导热率高、能量吸收率低的缺点，实现高致密度纯铜复杂零件的3D打印。

技术领域

本发明涉及一种高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法，属于精密制造领域。

背景技术

铜具有优良的导热、导电性能，在航空航天、散热器、电接触与电加工等领域获得广泛应用。然而，这些领域中的航天发动机燃烧室冷却壁、喷嘴，散热器，精密加工电极等结构复杂，无法使用传统的机械加工方法完成，限制了相关领域的技术发展。

3D打印是增材制造的俗称，选区熔化3D打印是利用聚焦高能束为热源，按照三维离散数据逐层扫描并熔化粉末，然后逐层凝固，层层叠加成形零件的新方法。它不受零件形状的制约，设计自由度高，能够直接成形各种形状复杂、尺寸精细的零件。其中，以激光为热源的激光选区熔化3D打印已广泛应用于钢铁材料、钛合金等成形。

铜是导电、导热性能极为优良的有色金属，其对激光尤其是激光选区熔化3D打印使用的1060nm以上波长的激光有很高的反射率，激光无法有效熔化铜。因此，使用激光选区熔化3D打印，难以实现纯铜的有效成形。铜对聚焦电子束的能量吸收率较高，真空条件下聚焦电子束能够克服激光的缺陷，实现铜的有效熔化。然而，纯铜导电导热性极为优良，热膨胀系数大，熔化后流动性好，聚焦电子束熔化铜时，熔池不易稳定，单层熔化控制困难，层与层之间结合差、不同高度组织差异大，依然存在导热过快、成形过程稳定性差难以控制、致密度难以提高等问题，其难度远超铜合金及其它合金。结构复杂的零件成形时，由于不同结构的导热条件不同，这一问题尤为严重，导致复杂零件无法成形。已有公开技术中尚无成形件致密度超过95％的纯铜复杂零件3D打印方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高致密度纯铜金属零件的电子束选区熔化3D打印成形方法，该方法根据铜的高导热、高导电特性和电子束选区熔化3D打印方法的原理，采用低温预热和间隔低束流均温等方法，实现纯铜金属成形质量和致密度的提高。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高致密度纯铜复杂零件电子束选区熔化3D打印方法，包括以下步骤：

(1)建立成形件的三维数字模型；

(2)将三维数字模型切片离散后获得的分层扫描数据导入电子束扫描控制软件；

(3)真空条件下，将铜板预热到150～250℃；

(4)真空条件下，将球形铜粉均匀铺设在铜板上；

(5)真空条件下，使用聚焦电子束根据分层扫描数据扫描熔化粉层；

(6)真空条件下，扫描熔化结束后，使用离焦电子束扫描粉层使温度均匀化；

(7)重复步骤(4)～步骤(6)，完成逐层凝固累积，直至整个零件打印完毕；在真空条件下自然冷却到50℃以下后，清理后即可获得高致密度纯铜复杂零件。

优选的，本发明步骤(2)中，切片厚度为20～100μm。

优选的，本发明步骤(3)中，铜板的预热通过离焦电子束扫描实现，扫描束流10-25mA，扫描速度10-20m/s。