[发明专利]一种Sn-Bi系合金材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种Sn‑Bi系合金材料及其制备方法和应用，涉及合金材料技术领域。本发明提供的Sn‑Bi系合金材料，以质量百分比计，包括Sn40％，Bi 58％，Cu 0.04％，Al 1.76％，Me 0.2％；所述Me为La、Ce和Sr中的一种或几种。本发明通过在Sn‑Bi合金中加入Cu、Al、Me，可以减缓Bi的粗化及脆性，改善合金性能；适量的Al可以提高焊料的合金强度、改善焊料塑性和提高热疲劳强度；适量的La、Ce和Sr可以改善合金的物理化学性能，并提高合金室温及高温机械性能，增加延展性，改善润湿性能，提高冲击强度，能够满足3D打印用低熔点合金材料的要求。

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种Sn-Bi系合金材料及其制备方法和应用。

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。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。

熔融沉积成型(Fused deposition modeling，FDM)是一种将各种热熔性的丝状材料(蜡、ABS和尼龙等)加热熔化成形的方法，是3D打印技术的一种，又可被称FFM熔丝成型(Fused Filament Modeling)或FFF熔丝制造(Fused Filament Fabrication)。FDM成型原理相对简单，将低熔点丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体，使熔化的热塑材料丝通过喷头挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，每完成一层成型，工作台便下降一层高度，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。

近年来，金属合金线材作为FDM的新型材料受到许多人的青睐，进而促进了3D打印金属线材研发和应用。线性直写3D打印技术为复杂三维金属结构的实现提供了强有力的技术支持。尤其是在工艺品行业中，伴随着对室温液态金属的氧化处理、浸润性能等相关性质研究的成熟与发展，在3D打印中将锡铅合金作为打印“墨水”，通过线性直写工艺在基底上进行打印，从而完成复杂三维立体构建的制作，通过计算机软件精准控制喷头与基底之间的对位，以满足金属材料在基底打印中的连续线性沉积。由于铅的副作用较大，人们对取代铅的低熔点合金进行了研究，大量的研究热点集中在以锡铋合金为基础的材料上。Sn-Bi合金具有良好的力学性能，室温下，它比Sn-Pb焊料具有更高的屈服强度、剪切强度、拉伸强度和抗蠕变性，也具有良好的热疲劳性能。但是Bi原本性质脆弱，使Sn-Bi合金表现出脆性大、延展性小的特征，这导致Sn-Bi合金的塑性降低，情况严重时会出现脆性破坏，从而严重影响加工性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Sn-Bi系合金材料及其制备方法和应用，本发明提供的Sn-Bi系合金材料具有较高的抗拉强度和抵抗弹性变形能力，塑性较好，能够满足3D打印用低熔点合金材料的要求。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种Sn-Bi系合金材料，以质量百分比计，包括Sn 40％，Bi 58％，Cu0.04％，Al 1.76％，Me 0.2％；所述Me为La、Ce和Sr中的一种或几种。

优选地，当所述Me为La、Ce和Sr中的两种时，两种金属元素的质量比为1:1～3。

优选地，当所述Me为La、Ce和Sr时，所述La、Ce和Sr的质量比为1:1:1～3。

优选地，所述Sn-Bi系合金材料的熔点在260℃以下。