专利摘要

一种稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法，其特征是该粉芯丝材由质量占整个粉芯丝材28%~30%的且成分为锌和铝的微米粉与质量占整个粉芯丝材2%~4%的稀土纳米粉构成的稀土增强微纳粉芯和质量占整个粉芯丝材66%~70%的铜皮组成，各组分之和为100%，其制备方法主要包括微纳粉制备、外皮成形及填粉、合口与拉拔成丝。采用本发明所述的CuZnAl微纳粉芯丝材作为激光增材制造用材，具有形状记忆功能损失小、成形精度高等特点，而且避免了目前以粉末作为增材制造材料存在的粉末利用率低等问题，同时也解决了以实心丝材作为增材制造用材所需激光能量较高更易引起功能损失等问题。

权利要求

1.一种稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材，其特征是它主要由稀土增强微纳粉芯和包裹用的铜皮组成，所述的稀土增强微纳粉芯主要由微米粉和稀土纳米粉组成，所述的微米粉主要由微米锌粉和微米铝粉组成，微米粉的质量占整个微纳粉芯丝材的28%~30%，所述的稀土纳米粉的质量占整个微纳粉芯丝材的2%~4%，所述的铜皮的质量占整个微纳粉芯丝材的66%~70%，各组分之和为100%。

2.根据权利要求1所述的CuZnAl微纳粉芯丝材，其特征是所述微米粉中铝的质量分数为12%-15%、锌的质量分数为85%-88%，并按照配比直接混合后进行机械合金化制成或采用铝包锌粉结构。

3.根据权利要求1所述的CuZnAl微纳粉芯丝材，其特征是所述稀土纳米粉为纳米La，Ce，Pr和Nd粉中的一种或几种混合，且其既可以是单质也可以是化合物。

4.根据权利要求1所述的CuZnAl微纳粉芯丝材，其特征是所述微米粉的粒径为50~75μm。

5.根据权利要求1所述的CuZnAl微纳粉芯丝材，其特征是所述稀土纳米粉的粒径为30~80nm。

6.根据权利要求1所述的CuZnAl微纳粉芯丝材，其特征是所述微纳粉芯是以微米粉为核、纳米粉为壳的核壳结构微纳复合粉。

7.一种权利要求1所述的CuZnAl微纳粉芯丝材的制备方法，其特征是它包括如下步骤：

（1）将按所需配比称量好的微米粉和稀土纳米粉制成微纳粉；

（2）将裁剪好的纯铜带轧制成U型，再向U型槽中加入步骤1制备的微纳粉；（3）将U型槽合口，使微纳粉包裹在其中；

（4）通过丝材拉拔装置，将微纳粉芯丝材拉成直径为0.5~2mm的成品。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是先将稀土纳米粉制成稀土纳米悬浮液后再与微米粉混合。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是微纳粉是以微米粉为核、纳米粉为壳的核壳结构微纳复合粉。

说明书

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，尤其是一种激光增材制造用材料及其制备方法，具体地说是一种稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法。

背景技术

激光增材制造技术，是指以激光作为能量源且基于离散-堆积原理并由零件三维数据驱动直接制造零件的一种先进制造技术。然而，激光增材制造用材料的研发目前尚处于初级阶段，能够使用的材料种类相对较少，极大地限制了这一先进制造技术的广泛应用。

CuZnAl合金是上世纪七十年代兴起的一种新型功能记忆型材料。与Ni-Ti合金相比，其不仅成本低而且记忆的温度范围宽，从而引起了人们的积极关注。如果能够将CuZnAl合金应用到激光增材制造技术领域，可更好地解决一些传统制造技术不易实现的难题。然而，无论是将CuZnAl合金以单质粉体直接混合或是混合后进行机械合金化，还是将CuZnAl合金粉碎制成合金粉，乃至于将CuZnAl合金拉拔制成合金丝，在激光增材制造过程中由于激光能量密度极高，其中的低沸点元素如CuZnAl合金中的Zn等都极易烧损；同时，激光增材制造过程中不可避免地存在着堆积后一层材料势必会部分重熔前一层材料的具体现实，造成重熔结晶的CuZnAl合金晶粒粗大等问题，也会增大形状记忆功能损失。综上可见，CuZnAl合金激光增材制造过程中，如何降低其形状记忆功能损失是需要面对的核心关键问题。

粉芯丝材是一种用金属带材包裹填充粉末并拉拔成一定直径的可用于激光增材制造的新型材料，其不仅避免了使用粉材激光增材制造时所存在的材料利用率低等缺点，也避免了使用实心丝材激光增材制造时所需激光能量较高等不足，而且通过优化其中粉芯的成分及结构等还可以对激光增材制造制件的形性进行调控，是一类极具发展潜力和前景的激光增材制造用材。如果以CuZnAl合金中的高沸点Cu作为外皮、Zn和Al作为粉芯制成CuZnAl粉芯丝材，借助高沸点Cu皮的保护作用可望解决其中低沸点元素的烧损问题；若进一步在其中引入可强化母材、降低层错能等增强形状记忆功能的措施如在粉芯中添加纳米颗粒等，则可望突破CuZnAl合金激光增材制造过程中形状记忆功能损失大等难题。纳米稀土颗粒，就是一种具有这样功能的改性粉体。如果在粉芯中添加少量纳米稀土颗粒，不仅可以发挥纳米材料的纳米效应，而且还可发挥稀土元素净化熔池、钉扎强化等作用，进而可望获得一种功能低损型CuZnAl合金的激光增材制造用新型材料。

然而，据申请人所知，目前尚未有一种稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法可供使用。

发明内容

本发明的目的是针对CuZnAl合金激光增材制造过程中易产生较为严重的形状记忆功能损失的问题，发明一种稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法。

本发明的技术方案之一是：

一种稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材，其特征是它主要由稀土增强微纳粉芯和包裹用的铜皮组成，所述的稀土增强微纳粉芯主要由微米粉和稀土纳米粉组成，所述的微米粉主要由微米锌粉和微米铝粉组成，微米粉的质量占整个微纳粉芯丝材的28%~30%，所述的稀土纳米粉的质量占整个微纳粉芯丝材的2%~4%，所述的铜皮的质量占整个微纳粉芯丝材的66%~70%，各组分之和为100%。

所述微米粉中铝的质量分数为12%-15%、锌的质量分数为85%-88%，并按照配比直接混合后进行机械合金化制成或采用铝包锌粉结构。

所述稀土纳米粉为纳米La，Ce，Pr和Nd粉中的一种或几种混合，且其既可以是单质也可以是化合物如氧化物。

所述微米粉的粒径为50~75μm。

所述稀土纳米粉的粒径为30~80nm。

所述微纳粉芯是以微米粉为核、纳米粉为壳的核壳结构微纳复合粉。

本发明的技术方案之二是：

一种稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材的制备方法，其特征是它包括如下步骤：

（1）将按所需配比称量好的微米粉和稀土纳米粉制成微纳粉；

（2）将裁剪好的纯铜带轧制成U型，再向U型槽中加入步骤1制备的微纳粉；（3）将U型槽合口，使微纳粉包裹在其中；

（4）通过丝材拉拔装置，将微纳粉芯丝材拉成直径为0.5~2mm的成品。

先将稀土纳米粉制成稀土纳米悬浮液后再与微米粉混合。

微纳粉是以微米粉为核、纳米粉为壳的核壳结构微纳复合粉。

本发明的有益效果：

（1）本发明创造性地将粉芯丝材应用到激光增材制造领域，避免了目前以粉末作为增材制造材料存在的粉末利用率低等问题，同时也解决了以实心丝材作为增材制造用材所需激光能量较高更易引起功能损失等问题，尤其是以微纳粉作为粉芯使得通过优化其中的纳米组分即可实现激光增材制造件的形性调控。

（2）本发明所述稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材及制备方法，以CuZnAl记忆合金中高沸点Cu作为外皮，借助高沸点Cu皮的保护作用，较好地降低了在激光增材制造过程中其中低沸点元素的烧损，从而抑制了CuZnAl合金激光增材制造过程的功能损失。

（3）本发明所述稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材及制备方法，不仅可以发挥其中纳米稀土组分的纳米效应，而且还可以发挥稀土净化熔池、钉扎强化等作用，增强了激光增材制造CuZnAl合金的形状记忆功能。

附图说明

图1是本发明所述微纳粉芯丝材的横截面示意图。

图2是本发明所述微纳粉芯丝材制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

如图1~2所示。

一种稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材，该粉芯丝材由质量占整个粉芯丝材28%~30%的且成分为锌和铝的微米粉与质量占整个粉芯丝材2%~4%的稀土纳米粉构成的稀土增强微纳粉芯和质量占整个粉芯丝材66%~70%的铜皮组成，各组分之和为100%。所述锌和铝的微米粉中铝的质量分数为12%-15%、锌的质量分数为85%-88%，其既可以按照配比直接混合后进行机械合金化制成，也可以采用铝包锌粉。所述稀土纳米粉含有La，Ce，Pr，Nd中的一种或几种混合，且其既可以是单质也可以是化合物如氧化物。所述锌和铝的微米粉的粒径为50~75μm。所述稀土纳米粉的粒径为30~80nm。所述微纳粉芯最好是以微米粉为核、纳米粉为壳的核壳结构微纳复合粉，如图1所示。具体的制备方法包括如下步骤：（1）将按所需配比称量好的微米粉和稀土纳米粉制成微纳粉；（2）将裁剪好的纯铜带轧制成U型，再向U型槽中加入步骤1制备的微纳粉；（3）将U型槽合口，使微纳粉包裹在其中；（4）通过丝材拉拔装置，将微纳粉芯丝材拉成直径为0.5~2mm的成品。所述稀土纳米粉最好制成稀土纳米悬浮液后再与微米粉混合，如图2所示。

实例一。

以制备1000g稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材为例，按所需配比通过机械合金化制备290g微米锌铝合金粉（粒径为60微米，其中微米铝粉39.15克，微米锌粉250.85克），再将30g纳米氧化铈粉（粒径为30nm）在体积比为1:1的醇水混合溶液中进行分散制备纳米悬浮液，将两者一起放入球磨机中球磨复合获得以微米粉为核，纳米粉为壳的核壳结构的320g微纳粉（如图1）。选用宽度10mm，厚度0.5mm的纯铜带680g，先将其轧成U形，将前述微纳粉加入到U型槽中然后合口，并且通过拉拔装置将其拉成直径为1.5mm的成品粉芯丝材。

在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的CuZnAl合金粉、CuZnAl实心丝材、本发明所述CuZnAl微纳粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能如表1所示。

表1 实例中所述分别采用三种材料获得试件的形状记忆性能

实例二。

以制备1000g稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材为例，按所需配比通过机械合金化制备280g微米锌铝合金粉（粒径为50微米，其中微米铝粉33.6克，微米锌粉246.4克），再将20g纳米氧化铈粉（粒径为50nm）在体积比为1:1的醇水混合溶液中进行分散制备纳米悬浮液，将两者一起放入球磨机中球磨复合获得以微米粉为核，纳米粉为壳的核壳结构的300g微纳粉。选用宽度10mm，厚度0.5mm的纯铜带700g，先将其轧成U形，将前述微纳粉加入到U型槽中然后合口，并且通过拉拔装置将其拉成直径为0.5mm的成品粉芯丝材。

在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的CuZnAl合金粉、CuZnAl实心丝材、本发明所述CuZnAl微纳粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能与表1相似。

实例三。

以制备1000g稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材为例，按所需配比通过机械合金化制备300g微米锌铝合金粉（粒径为75微米，其中微米铝粉45克，微米锌粉255克），再将40g纳米氧化铈粉（粒径为50nm）在体积比为1:1的醇水混合溶液中进行分散制备纳米悬浮液，将两者一起放入球磨机中球磨复合获得以微米粉为核，纳米粉为壳的核壳结构的340g微纳粉。选用宽度10mm，厚度0.5mm的纯铜带660g，先将其轧成U形，将前述微纳粉加入到U型槽中然后合口，并且通过拉拔装置将其拉成直径为2mm的成品粉芯丝材。

在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的CuZnAl合金粉、CuZnAl实心丝材、本发明所述CuZnAl微纳粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能与表1相似。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

稀土增强的激光增材制造用CuZnAl微纳粉芯丝材及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。