一种利用钨粉熔丝喷射3D打印钨坯渗铜的方法

摘要

本发明公开了一种利用钨粉熔丝喷射3D打印钨坯渗铜的方法，涉及3D打印技术领域，包括S1：原料配比、S2：制作钨基塑料丝材、S3：3D打印、S4：高温烧结、S5：渗铜、S6：热处理、S7：机加工，采用钨粉与塑基材料混合，做成钨基塑料丝材，再通过送丝机加热成熔融的流体喷射3D打印成设计好的钨坯，钨坯经过高温烧结，脱去塑基高分子材料，制成多孔隙钨坯，再进行渗铜获得需要的钨铜零件，本发明采用喷射3D打印，打印效率比较高，打印设备简单化，使打印成本大幅度降低，采用喷射打印的钨坯，贴近传统钨粉压制烧结工艺，钨粉没有熔化，保留的渗铜孔隙均匀。

说明书

技术领域

本发明涉及由金属粉末制造制品技术领域，具体是涉及一种利用钨粉熔丝喷射3D打印钨坯渗铜的方法。

背景技术

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

2019年1月14日，美国加州大学圣迭戈分校首次利用快速3D打印技术，制造出模仿中枢神经系统结构的脊髓支架，成功帮助大鼠恢复了运动功能。

2020年5月5日，中国首飞成功的长征五号B运载火箭上，搭载着“3D打印机”。这是中国首次太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。

常规激光打印CuW制造方法是钨坯零件建模-激光打印成型-基板与钨坯切割分离-高温渗铜，获得需要形状的钨铜零件。而常规3D打印钨坯效率很低，打印速度100g/小时，无法满足批量生产钨铜零件的生产能力。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用钨粉熔丝喷射3D打印钨坯渗铜的方法。

本发明的技术方案是：一种利用钨粉熔丝喷射3D打印钨坯渗铜的方法，包括以下步骤：

S1：原料配比

将塑基材料与钨粉按体积比3:5放入搅拌装置中进行混合，搅拌速度80-120r/min，搅拌时长0.5-1h；得到混合原料，再将混合原料加入至混料机中进行进一步混合，混料机温度保持在300-325℃，形成钨基塑料丝原料；

S2：制作钨基塑料丝材

将步骤S1中得到的钨基塑料丝原料通过挤出机挤出，挤出温度在275-280℃、挤出压力保持在3.1-3.3bar，挤出钨基塑料丝直径为1-2mm，钨基塑料丝挤出后采用风冷的方式，使钨基塑料丝冷却成型，再将成型后的钨基塑料丝通过绕线机绕制成捆；

S3：3D打印

通过计算机对需要打印的钨坯进行建模，设定截面高度，通过计算机将三维模型分割成层，将每层截面信息按顺序存储在计算机中，采用塑料基座，控制喷嘴靠近基座进行逐层打印，打印时伴随风冷固化，冷风温度5-10℃，打印完成后卸下塑料基座，采用线切割技术，将基座与钨坯进行分离；

S4：高温烧结

将钨坯放置在真空烧结炉内进行烧结，炉内温度1300-2000℃；烧结时长1-2h，脱去塑基高分子材料塑料材料后，得到多孔隙钨坯；

S5：渗铜

将所述多孔隙钨坯放置在陶瓷坩埚中，再向坩埚中加入纯铜颗粒作为熔渗剂，通过最终成型材料的含铜量、多孔隙钨坯重量和熔渗剂的浸泡高度计算得出所加入纯铜颗粒的量，再将所述陶瓷坩埚放入马弗炉中进行加热，加热温度为1200-2000℃，加热时充入氢气作为保护气体，渗铜处理完成后进行冷却，得到钨铜毛坯；

S6：热处理

将钨铜毛坯整体加热至700-800℃后，保持2-3h，将温度降至300-350℃，保持0.5-1h后，对钨铜毛坯进行风冷至钨铜毛坯整体温度降至室温；

S7：机加工

对钨铜毛坯表面进行机加工，得到成品零件。

进一步地，所述塑基材料的制备方法包括以下步骤：

S1-1：对木质纤维素进行氮化反应处理，得到氮化木质纤维素；

S1-2：取大豆淀粉10-15份、聚乙烯树脂1-3份、聚乳酸3-5份、聚丁二酸丁二醇酯2-4份、聚己内酯1-3份、硫醇3-5份加入到密炼机中进行密炼处理，密炼温度为150-160℃，密炼时间为20-25min得到密炼产物：

S1-3：将步骤S1-2得到的密练产物放进陈化室进行陈化处理，得到陈化产物，取步骤S1-1中得到的氮化木质纤维素10-20份、陈化产物15-25份、甘油5-7份添加到挤出机中，挤出后造粒，即得到塑基材料，所生产的塑基材料在高温烧结时产生的污染物较小。

进一步地，所述步骤S1-3中的陈化温度为80-85℃，空气中相对湿度为60-65%，陈化处理时长为20-24h。

进一步地，所述步骤S1中所采用的钨粉纯度为99.2%-99.6%。

进一步地，步骤S5中冷却时保证多孔隙钨坯上低下高的温度梯度，进行由上而下冷却，冷却完成后去除多余熔渗剂，多孔隙钨坯上部的液态铜冷却凝固产生收缩后，底部液态铜能及时补充，能有效避免渗铜不均的情况发生。

进一步地，步骤S3中的打印层厚为0.3-0.5mm，打印速度为30-35mm/s，喷嘴直径为0.5-0.8mm，喷嘴温度为215-225℃。

进一步地，所述步骤S1中混料机内真空度为0.5-1Pa。

进一步地，步骤S6中将温度降至300-350℃的过程中，降温速度为80-100℃/min。

进一步地，所述步骤S5中马弗炉内充入氢气作为保护气体时，需保证炉内气压为250-300Pa，氢气作为保护气体可以消耗高温下消耗炉内氧气，能有效防止钨铜毛坯在渗铜时被氧化。

进一步地，所述S4中高温烧结时真空烧结炉内的真空度为0.2-0.5Pa，防止钨氧化。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提出了一种新的制造钨粉打印模式，采用钨粉与塑基材料混合，做成钨基塑料丝材，再通过送丝机加热成熔融的流体，喷射3D打印成设计好的钨坯，钨坯经过高温烧结，脱去塑基高分子材料，制成多孔隙钨坯，再进行渗铜获得需要的钨铜零件，这种采用喷射3D打印，打印效率比较高。

（2）本发明的打印设备简单化，使打印成本大幅度降低，工业化可行性增加；塑料喷射打印机大约2-5万/台。激光打印机大约150-300万/台，采用本发明的打印方法，可以降低钨铜零件的生产成本。

（3）采用本发明的方法打印的钨坯，贴近传统钨粉压制烧结工艺，钨粉没有熔化，保留的渗铜孔隙均匀；而激光3D打印钨坯，钨粉局部熔化再快速凝固，使钨坯很脆，最终渗铜后整体抗弯强度降低，只能使用在不要求抗弯强度的场合；而本发明采用喷射打印这种方式避免了钨坯脆性化问题，制造的钨合金更接近常规粉末压制渗铜的产品。

具体实施方式

实施例1：

一种利用钨粉熔丝喷射3D打印钨坯渗铜的方法，包括以下步骤：

S1：原料配比

将塑基材料与钨粉按体积比3:5放入搅拌装置中进行混合，钨粉纯度为99.2%，搅拌速度80r/min，搅拌时长0.5h；得到混合原料，再将混合原料加入至混料机中进行进一步混合，混料机温度保持在300℃，混料机内真空度为0.5Pa，形成钨基塑料丝原料；

S2：制作钨基塑料丝材

将步骤S1中得到的钨基塑料丝原料通过挤出机挤出，挤出温度在275℃、挤出压力保持在3.1bar，挤出钨基塑料丝直径为1mm，钨基塑料丝挤出后采用风冷的方式，使钨基塑料丝冷却成型，再将成型后的钨基塑料丝通过绕线机绕制成捆；

S3：3D打印

通过计算机对需要打印的钨坯进行建模，设定截面高度，通过计算机将三维模型分割成层，将每层截面信息按顺序存储在计算机中，采用塑料基座，控制喷嘴靠近基座进行逐层打印，打印层厚为0.3mm，打印速度为30mm/s，喷嘴直径为0.5mm，喷嘴温度为215℃，打印时伴随风冷固化，冷风温度5℃，打印完成后卸下塑料基座，采用线切割技术，将基座与钨坯进行分离；

S4：高温烧结

将钨坯放置在真空烧结炉内进行烧结，炉内温度1300℃；烧结时长1h，高温烧结时真空烧结炉内的真空度为0.2Pa，防止钨氧化，脱去塑基高分子材料塑料材料后，得到多孔隙钨坯；

S5：渗铜

将所述多孔隙钨坯放置在陶瓷坩埚中，再向坩埚中加入纯铜颗粒作为熔渗剂，通过最终成型材料的含铜量、多孔隙钨坯重量和熔渗剂的浸泡高度计算得出所加入纯铜颗粒的量，再将所述陶瓷坩埚放入马弗炉中进行加热，加热温度为1200℃，加热时充入氢气作为保护气体，马弗炉内充入氢气作为保护气体时，需保证炉内气压为250Pa，氢气作为保护气体可以消耗高温下消耗炉内氧气，能有效防止钨铜毛坯在渗铜时被氧化，渗铜处理完成后进行冷却，冷却时保证多孔隙钨坯上低下高的温度梯度，进行由上而下冷却，冷却完成后去除多余熔渗剂，多孔隙钨坯上部的液态铜冷却凝固产生收缩后，底部液态铜能及时补充，能有效避免产生渗铜不均，得到钨铜毛坯；

S6：热处理

将钨铜毛坯整体加热至700℃后，保持2h，将温度降至300℃的过程中，降温速度为80℃/min，保持0.5h后，对钨铜毛坯进行风冷至钨铜毛坯整体温度降至室温；

S7：机加工

对钨铜毛坯表面进行机加工，得到成品零件。

本实施例的塑基材料采用的是现有技术中常见的3D打印用塑基材料，例如PVC。

实施例2：

一种利用钨粉熔丝喷射3D打印钨坯渗铜的方法，包括以下步骤：

S1：原料配比

将塑基材料与钨粉按体积比3:5放入搅拌装置中进行混合，钨粉纯度为99.2%，搅拌速度80r/min，搅拌时长0.5h；得到混合原料，再将混合原料加入至混料机中进行进一步混合，混料机温度保持在300℃，混料机内真空度为0.5Pa，形成钨基塑料丝原料；

S2：制作钨基塑料丝材

将步骤S1中得到的钨基塑料丝原料通过挤出机挤出，挤出温度在275℃、挤出压力保持在3.1bar，挤出钨基塑料丝直径为1mm，钨基塑料丝挤出后采用风冷的方式，使钨基塑料丝冷却成型，再将成型后的钨基塑料丝通过绕线机绕制成捆；

S3：3D打印

通过计算机对需要打印的钨坯进行建模，设定截面高度，通过计算机将三维模型分割成层，将每层截面信息按顺序存储在计算机中，采用塑料基座，控制喷嘴靠近基座进行逐层打印，打印层厚为0.3mm，打印速度为30mm/s，喷嘴直径为0.5mm，喷嘴温度为215℃，打印时伴随风冷固化，冷风温度5℃，打印完成后卸下塑料基座，采用线切割技术，将基座与钨坯进行分离；

S4：高温烧结

将钨坯放置在真空烧结炉内进行烧结，炉内温度1300℃；烧结时长1h，高温烧结时真空烧结炉内的真空度为0.2Pa，防止钨氧化，脱去塑基高分子材料塑料材料后，得到多孔隙钨坯；

S5：渗铜

将所述多孔隙钨坯放置在陶瓷坩埚中，再向坩埚中加入纯铜颗粒作为熔渗剂，通过最终成型材料的含铜量、多孔隙钨坯重量和熔渗剂的浸泡高度计算得出所加入纯铜颗粒的量，再将所述陶瓷坩埚放入马弗炉中进行加热，加热温度为1200℃，加热时充入氢气作为保护气体，马弗炉内充入氢气作为保护气体时，需保证炉内气压为250Pa，氢气作为保护气体可以消耗高温下消耗炉内氧气，能有效防止钨铜毛坯在渗铜时被氧化，渗铜处理完成后进行冷却，冷却时保证多孔隙钨坯上低下高的温度梯度，进行由上而下冷却，冷却完成后去除多余熔渗剂，多孔隙钨坯上部的液态铜冷却凝固产生收缩后，底部液态铜能及时补充，能有效避免产生渗铜不均，得到钨铜毛坯；

S6：热处理

将钨铜毛坯整体加热至700℃后，保持2h，将温度降至300℃的过程中，降温速度为80℃/min，保持0.5h后，对钨铜毛坯进行风冷至钨铜毛坯整体温度降至室温；

S7：机加工

对钨铜毛坯表面进行机加工，得到成品零件。

所述塑基材料的制备方法包括以下步骤：

S1-1：对木质纤维素进行氮化反应处理，得到氮化木质纤维素；

S1-2：取大豆淀粉10份、聚乙烯树脂1份、聚乳酸3份、聚丁二酸丁二醇酯2份、聚己内酯1份、硫醇3份加入到密炼机中进行密炼处理，密炼温度为150℃，密炼时间为20min得到密炼产物：

S1-3：将步骤S1-2得到的密练产物放进陈化室进行陈化处理，陈化温度为80℃，空气中相对湿度为60%，陈化处理时长为20h，得到陈化产物；取步骤S1-1中得到的氮化木质纤维素10份、陈化产物15份、甘油5份添加到挤出机中，挤出后造粒，即得到塑基材料，所生产的塑基材料在高温烧结时产生的污染物较小。

实施例2相比实施例1，实施例2所采用的塑基材料是在现有技术常用的3D打印用塑基材料的基础上进行了改进，且具体公开了改进后的所述塑基材料的制备过程，采用实施例2中的塑基材料在高温烧结时，所产生的污染物较小。

实施例3：

一种利用钨粉熔丝喷射3D打印钨坯渗铜的方法，包括以下步骤：

S1：原料配比

将塑基材料与钨粉按体积比3:5放入搅拌装置中进行混合，钨粉纯度为99.4%，搅拌速度100r/min，搅拌时长0.8h；得到混合原料，再将混合原料加入至混料机中进行进一步混合，混料机温度保持在315℃，混料机内真空度为0.8Pa，形成钨基塑料丝原料；

S2：制作钨基塑料丝材

将步骤S1中得到的钨基塑料丝原料通过挤出机挤出，挤出温度在277℃、挤出压力保持在3.2bar，挤出钨基塑料丝直径为1.5mm，钨基塑料丝挤出后采用风冷的方式，使钨基塑料丝冷却成型，再将成型后的钨基塑料丝通过绕线机绕制成捆；

S3：3D打印

通过计算机对需要打印的钨坯进行建模，设定截面高度，通过计算机将三维模型分割成层，将每层截面信息按顺序存储在计算机中，采用塑料基座，控制喷嘴靠近基座进行逐层打印，打印层厚为0.4mm，打印速度为33mm/s，喷嘴直径为0.7mm，喷嘴温度为220℃，打印时伴随风冷固化，冷风温度8℃，打印完成后卸下塑料基座，采用线切割技术，将基座与钨坯进行分离；

S4：高温烧结

将钨坯放置在真空烧结炉内进行烧结，炉内温度1800℃；烧结时长1.5h，高温烧结时真空烧结炉内的真空度为0.4Pa，防止钨氧化，脱去塑基高分子材料塑料材料后，得到多孔隙钨坯；

S5：渗铜

将所述多孔隙钨坯放置在陶瓷坩埚中，再向坩埚中加入纯铜颗粒作为熔渗剂，通过最终成型材料的含铜量、多孔隙钨坯重量和熔渗剂的浸泡高度计算得出所加入纯铜颗粒的量，再将所述陶瓷坩埚放入马弗炉中进行加热，加热温度为1800℃，加热时充入氢气作为保护气体，马弗炉内充入氢气作为保护气体时，需保证炉内气压为280Pa，氢气作为保护气体可以消耗高温下消耗炉内氧气，能有效防止钨铜毛坯在渗铜时被氧化，渗铜处理完成后进行冷却，冷却时保证多孔隙钨坯上低下高的温度梯度，进行由上而下冷却，冷却完成后去除多余熔渗剂，多孔隙钨坯上部的液态铜冷却凝固产生收缩后，底部液态铜能及时补充，能有效避免产生渗铜不均，得到钨铜毛坯；

S6：热处理

将钨铜毛坯整体加热至750℃后，保持2.5h，将温度降至330℃的过程中，降温速度为90℃/min，保持0.8h后，对钨铜毛坯进行风冷至钨铜毛坯整体温度降至室温；

S7：机加工

对钨铜毛坯表面进行机加工，得到成品零件。

所述塑基材料的制备方法包括以下步骤：

S1-1：对木质纤维素进行氮化反应处理，得到氮化木质纤维素；

S1-2：取大豆淀粉12份、聚乙烯树脂2份、聚乳酸4份、聚丁二酸丁二醇酯3份、聚己内酯2份、硫醇4份加入到密炼机中进行密炼处理，密炼温度为155℃，密炼时间为23min得到密炼产物：

S1-3：将步骤S1-2得到的密练产物放进陈化室进行陈化处理，陈化温度为83℃，空气中相对湿度为63%，陈化处理时长为22h，得到陈化产物；取步骤S1-1中得到的氮化木质纤维素15份、陈化产物20份、甘油6份添加到挤出机中，挤出后造粒，即得到塑基材料，所生产的塑基材料在高温烧结时产生的污染物较小。

实施例4：

一种利用钨粉熔丝喷射3D打印钨坯渗铜的方法，包括以下步骤：

S1：原料配比

将塑基材料与钨粉按体积比3:5放入搅拌装置中进行混合，钨粉纯度为99.6%，搅拌速度120r/min，搅拌时长1h；得到混合原料，再将混合原料加入至混料机中进行进一步混合，混料机温度保持在325℃，混料机内真空度为1Pa，形成钨基塑料丝原料；

S2：制作钨基塑料丝材

将步骤S1中得到的钨基塑料丝原料通过挤出机挤出，挤出温度在280℃、挤出压力保持在3.3bar，挤出钨基塑料丝直径为2mm，钨基塑料丝挤出后采用风冷的方式，使钨基塑料丝冷却成型，再将成型后的钨基塑料丝通过绕线机绕制成捆；

S3：3D打印

通过计算机对需要打印的钨坯进行建模，设定截面高度，通过计算机将三维模型分割成层，将每层截面信息按顺序存储在计算机中，采用塑料基座，控制喷嘴靠近基座进行逐层打印，打印层厚为0.5mm，打印速度为35mm/s，喷嘴直径为0.8mm，喷嘴温度为225℃，打印时伴随风冷固化，冷风温度10℃，打印完成后卸下塑料基座，采用线切割技术，将基座与钨坯进行分离；

S4：高温烧结

将钨坯放置在真空烧结炉内进行烧结，炉内温度2000℃；烧结时长2h，高温烧结时真空烧结炉内的真空度为0.5Pa，防止钨氧化，脱去塑基高分子材料塑料材料后，得到多孔隙钨坯；

S5：渗铜

将所述多孔隙钨坯放置在陶瓷坩埚中，再向坩埚中加入纯铜颗粒作为熔渗剂，通过最终成型材料的含铜量、多孔隙钨坯重量和熔渗剂的浸泡高度计算得出所加入纯铜颗粒的量，再将所述陶瓷坩埚放入马弗炉中进行加热，加热温度为2000℃，加热时充入氢气作为保护气体，马弗炉内充入氢气作为保护气体时，需保证炉内气压为300Pa，氢气作为保护气体可以消耗高温下消耗炉内氧气，能有效防止钨铜毛坯在渗铜时被氧化，渗铜处理完成后进行冷却，冷却时保证多孔隙钨坯上低下高的温度梯度，进行由上而下冷却，开始时，钨铜毛坯顶部温度保持在500℃，中部温度保持在1100℃，底部温度保持在1200℃，待钨铜毛坯顶部冷却后，钨铜毛坯的顶部温度保持300℃，中部温度保持在500℃，底部温度保持在1100℃，待钨铜毛坯中部冷却后，钨铜毛坯顶部保持温度在100℃，中部保持温度在300℃，底部保持温度在500℃，带钨铜毛坯整体冷却凝固后去除多余熔渗剂，多孔隙钨坯上部的液态铜冷却凝固产生收缩后，底部液态铜能及时补充，能有效避免产生渗铜不均，得到钨铜毛坯；

S6：热处理

将钨铜毛坯整体加热至800℃后，保持3h，将温度降至350℃的过程中，降温速度为100℃/min，保持1h后，对钨铜毛坯进行风冷至钨铜毛坯整体温度降至室温；

S7：机加工

对钨铜毛坯表面进行机加工，得到成品零件。

所述塑基材料的制备方法包括以下步骤：

S1-1：对木质纤维素进行氮化反应处理，得到氮化木质纤维素；

S1-2：取大豆淀粉15份、聚乙烯树脂3份、聚乳酸5份、聚丁二酸丁二醇酯4份、聚己内酯3份、硫醇5份加入到密炼机中进行密炼处理，密炼温度为160℃，密炼时间为25min得到密炼产物：

S1-3：将步骤S1-2得到的密练产物放进陈化室进行陈化处理，陈化温度为85℃，空气中相对湿度为65%，陈化处理时长为24h，得到陈化产物；取步骤S1-1中得到的氮化木质纤维素20份、陈化产物25份、甘油7份添加到挤出机中，挤出后造粒，即得到塑基材料，所生产的塑基材料在高温烧结时产生的污染物较小。

实施例1-4所生产的钨铜毛坯与激光3D打印的钨铜毛坯其抗弯强度比较结果如表1：

表1：激光3D打印钨铜毛坯与实施例1-3所生产钨铜毛坯的抗弯强度

从表中可以看出，实施例1-4所生产的钨铜毛坯的抗弯强度整体高于激光3D打印所生产的钨铜毛坯，对比实施例1-4，可以看出实施例4所生产的钨铜毛坯中，抗弯强度最佳的为实施例4，由此可得，实施例4的生产参数为最佳参数。