[发明专利]基于选区激光成型的梯度功能钨铜材料电触头及制备方法

说明书

本发明公开了基于选区激光成型的梯度功能钨铜材料电触头及制备方法，本发明的电触头通过设计来控制钨铜合金中钨铜材料的分布以及钨铜比的大小。传统的制造方法制造出的钨铜合金电触头材料中，钨铜分布不均匀，显微组织粗大，局部微观组织均匀化不完全，产品的形状受到限制，不能完全发挥材料的潜力。本发明能够在设计阶段通过控制每一层的空隙率来控制最终产品的钨铜固相比，本发明通过建模保证孔隙率，再通过激光选区成型制造出钨合金骨架，然后再在孔隙中渗入铜合金，实现精确控制电触头前端结构中钨铜材料分布以及钨铜比大小。

技术领域

本发明属于钨铜合金制备复杂高性能材料领域，具体涉及一种基于选区激光成型的梯度功能钨铜材料电触头及制备方法。

背景技术

电触头是高压电器开关的重要部件，由于钨铜复合材料高的耐压强度和耐电烧蚀性能,被广泛应用于电触头以及高压电器的电极材料。传统的钨铜合金的制备方法为烧结-熔渗法和混粉烧结法，但由于钨铜材料不相熔，是一种典型的假合金，所以烧结致密化困难，孔隙率较高且不容易控制，这会极大地影响电触头的使用效果和使用寿命，并且由于产品的形状、材料均布程度受到限制等问题,从而不能最大限度发挥材料的潜力，所以找到一种能够控制钨铜合金固相分布和固相比的方法对提高其导电导热性能、耐电烧蚀性能和力学性能会起到很大的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供基于选区激光成型的梯度功能钨铜材料电触头及制备方法，通过建立打印模型来控制孔隙率和孔隙分布，然后使用3DLMP-250激光金属3D打印机打印出钨合金骨架，然后在高温高真空下定向凝固，制造出触头主体钨铜固相分布均匀并且呈梯度变化，铜杆与触头接触部位无较大界面层的电触头结构，该电触头钨铜固相比较大，密度小，导电导热性能好，耐电烧蚀性能好，能显著提高其使用效果和使用寿命。

为了达到上述目的，基于选区激光成型的梯度功能钨铜材料电触头，包括钨合金骨架，钨合金骨架包括底座和铜合金杆，铜合金杆固定在底座上，底座的下层为小三角形拼成的网状结构，网状结构的孔隙率为30％～40％，网状结构最下部为致密结构，网状结构的底部设置有一个中空的凹槽，底座的上层为随高度增加孔隙率呈梯度下降的空心蜂窝状结构，空心蜂窝状结构底部孔隙率为30％～40％，顶部孔隙率为20％～25％；

网状结构和空心蜂窝状结构内均填充有铜合金溶液。

钨合金骨架中铜合金的含量占总体百分比的0％～40％。

基于选区激光成型的梯度功能钨铜材料电触头的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，通过选区激光成型来制备钨合金骨架；通过凝胶注膜工艺制备耐高温的陶瓷模具，陶瓷模具的内壁与钨合金骨架大小相同；

步骤二，将陶瓷模具固定在钨合金骨架的上层；

步骤三，高温真空下加热制备熔融态铜合金；

步骤四，将制备的铜合金溶液在真空环境中经陶瓷模具中的陶瓷管渗入到钨合金骨架中，并充满钨合金骨架的网状结构和空心蜂窝状结构中；

步骤五，控制冷却温度使铜合金定向凝固，得到单方向生长的定向晶；

步骤六，将陶瓷模具去除，最终得到铜钨电触头。

步骤一中，钨合金骨架的制作方法如下：

第一步，用UG建立钨骨架模型，然后将所建模型导出为STL格式，再将其导入分层软件Magics中切片，生成SLC文件；

第二步，将SLC文件导入到激光金属3D打印机，通过激光选区烧结钨合金粉末来制备具有梯度致密度的钨合金骨架，打印材料为球形钨合金粉末。

球形钨合金粉末在庚烷中球磨24h，粒径为5μm～25μm，打印机激光头功率为200W～300W，打印层厚为25μm～50μm，打印速度为50mm/s～500mm/s。