一种基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法与流程

本申请涉及金属材料增材制造，尤其涉及一种基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法。

背景技术：

1、纯铜具有导电性好(58×10 6s/m)、导热性强(401w/(m·k))、低温和常温韧性优异，耐腐蚀性好等优良性能，被广泛应用于航空航天、汽车和电气领域。然而，传统的加工方法很难实现复杂几何形状的纯铜构件制造，因此，通过增材制造(am)纯铜构件在工业中具有明显的优势。近年来，以激光为热源的纯铜am技术虽然在不断发展，但仍存在一些问题。纯铜的高热导率、反射率和氧化物形成倾向使纯铜的am加工变得困难，生产无裂纹和致密的构件仍然是一个挑战。在am纯铜过程中，高热导率快速散热形成高热梯度和残余应力，会导致沉积层卷曲和分层。高反射率需要高能量密度，这可能导致金属蒸发、飞溅等缺陷。此外，纯铜在空气或湿气中易形成cu2o表面氧化物。综上，这些制造问题会对纯铜的电、热和机械性能造成不利影响。为了确保纯铜构件在实际生产中的使用性能，应选择适当的增材制造方法。

技术实现思路

1、(1)要解决的技术问题

2、本申请提供了一种基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，解决目前的增材制造方法会对纯铜的电、热和机械性能造成不利影响的问题。

3、(2)技术方案

4、本申请提供了一种基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，包括：

5、将基板装夹至工作台压紧，在所述基板与所述工作台之间加入绝缘隔热片，在所述基板表面点焊热电偶，并对所述基板连接导线接地；

6、对目标纯铜构件进行三维建模，并进行切片处理，确定各层的沉积路径，将路径各点写入程序，并定义初始位置以及工艺参数；

7、启动真空泵组，将真空室抽至要求真空度后开启枪分子泵并保持，然后通过电子枪充气口充入氦气与氧气达到要求真空度；

8、在电子束熔丝形成液滴稳定过渡状态下，运行所述程序，按照每层预热、层间旋转沉积策略进行温度闭环控制策略逐层打印，完成所述目标纯铜构件的所有层数。

9、进一步地，所述将基板装夹至工作台压紧之前，还包括：

10、对所述基板表面用砂纸打磨平整，再用无水乙醇清洗干净所述基板表面。

11、进一步地，所述基板的材料为不锈钢。

12、进一步地，所述绝缘隔热片分别置于所述基板的四角处。

13、进一步地，所述热电偶采用k形表面贴片式热电偶，点焊在所述基板沉积区边缘中心。

14、进一步地，所述工艺参数包括：氦气流量、氧气流量、工作电压、束流、送丝速度、运动速度、道偏移、层高以及打印层数。

15、进一步地，所述要求真空度为1.1×101pa；

16、丝束同轴电子束熔丝增材制造成形参数包括：氦气流量0.3l/min、氧气流量4.23ml/min、工作电压12-13.5kv、束斑直径5-7mm、电子束流130-180ma、运动速度300mm/min、送丝速度1100mm/min、层高0.5mm、搭接率40％。

17、进一步地，成形过程完成后关束，延迟1s停丝，层间旋转定位到起始位置，设定层预热参数：氦气流量0.4l/min、氧气流量4.23ml/min、室真空压强1.2×101pa、工作电压13-14kv、z轴高度下降30mm、电子束流200ma、运动速度800mm/min。

18、进一步地，所述温度闭环控制策略使用热电偶进行温度采集，用作控制回路中的反馈信号，以实时动态调控电子束流变化，维持基板温度300℃。

19、进一步地，所述方法还包括：

20、打印完成后关闭氦气与氧气，将所述目标纯铜构件继续保持真空环境，待所述基板温度低于100℃后，关闭真空系统将所述目标纯铜构件取出。

21、(3)有益效果

22、本申请的上述技术方案具有如下优点：

23、本申请提供的基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，采用定枪式丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制造系统和五轴联动数控机床进行，对增材制造过程中装置改进、扫描策略优化以及温度闭环控制实现能量输入与损失动态平衡。通过在基板与工作台之间加入绝缘隔热片减少热量损失，并在基板表面点焊热电偶测温，利用电子束自身热源特性原位预热基板，并实行每层预热，层间旋转沉积策略，通过温度稳定的闭环控制策略动态调控电子束流以维持能量输入与损失动态平衡，进而增加沉积层内与层间表面润湿率，改善熔池流动性，能够制得表面成形良好且内部无孔隙的纯铜构件。

技术特征：

1.一种基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，其特征在于，所述将基板装夹至工作台压紧之前，还包括：

3.如权利要求1所述的基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，其特征在于，所述基板的材料为不锈钢。

4.如权利要求1所述的基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，其特征在于，所述绝缘隔热片分别置于所述基板的四角处。

5.如权利要求1所述的基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，其特征在于，所述热电偶采用k形表面贴片式热电偶，点焊在所述基板沉积区边缘中心。

6.如权利要求1所述的基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，其特征在于，所述工艺参数包括：氦气流量、氧气流量、工作电压、束流、送丝速度、运动速度、道偏移、层高以及打印层数。

7.如权利要求1所述的基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，其特征在于，所述要求真空度为1.1×101pa；

8.如权利要求1所述的基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，其特征在于，成形过程完成后关束，延迟1s停丝，层间旋转定位到起始位置，设定层预热参数：氦气流量0.4l/min、氧气流量4.23ml/min、室真空压强1.2×101pa、工作电压13-14kv、z轴高度下降30mm、电子束流200ma、运动速度800mm/min。

9.如权利要求1所述的基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，其特征在于，所述温度闭环控制策略使用热电偶进行温度采集，用作控制回路中的反馈信号，以实时动态调控电子束流变化，维持基板温度300℃。

10.如权利要求1所述的基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，其特征在于，所述方法还包括：

技术总结
本申请涉及一种基于丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制备纯铜的方法，包括：将基板装夹至工作台压紧，在基板与工作台之间加入绝缘隔热片，在基板表面点焊热电偶，并对基板连接导线接地；对目标纯铜构件进行三维建模，并进行切片处理，确定各层的沉积路径，将路径各点写入程序，并定义初始位置以及工艺参数；启动真空泵组，将真空室抽至要求真空度后开启枪分子泵并保持，然后通过电子枪充气口充入氦气与氧气达到要求真空度；在电子束熔丝形成液滴稳定过渡状态下，运行程序，按照每层预热、层间旋转沉积策略进行温度闭环控制策略逐层打印，完成目标纯铜构件的所有层数。本申请能够制得表面成形良好且内部无孔隙的纯铜构件。

技术研发人员：桑兴华,石毅磊,巩水利,许海鹰,王壮
受保护的技术使用者：中国航空制造技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23