本发明属于金属材料技术领域，涉及一种3d打印铜铝复合材料及其制备方法。
背景技术：
铜作为一种应用广泛的金属元素，其合金因具有良好的导热性、导电性，较强的耐腐蚀性以及良好的加工性能，在电子电气工业中常被用来制作电机、变压器、电子元器件，在轻工业生产中主要用作热交换器、散热器等。铝作为另一种应用广泛的金属元素，铝合金具有较低的密度、较高的强度和耐腐蚀性等一系列优良特性，在军工、航空航天、汽车、机械制造等领域已经被广泛的应用且具有很好的发展前景；且铝资源较丰富，在成本方面有很大的优势，因此在能满足使用性能要求的前提下，以铝代铜成为导电、导热元器件的发展趋势。
由于铝合金在导电、导热性能上仍次于铜合金，因而常规的以铝代铜并非由铝完全替代铜，而是在铜部件的一部分用铝来代替，其连接方法有机械螺钉连接、焊接方法连接、熔铸方法连接等，其中，采用螺钉连接，方便拆装，但是机械连接会降低导电、导热性能，接头处存在缝隙容易形成腐蚀环境；焊接方法和熔铸方法均可达到冶金结合，但容易在界面处形成cual、al2cu等脆性共晶相，会降低界面的结合强度，影响导电、导热性能。
鉴于常用金属及合金材料强度较大，不易变形，对于形状复杂的金属结构件往往难以加工，3d打印技术应运而生，该技术具有尺寸精度高、表面质量好、成形件性能优异等优点，其成型过程是由粉末或丝材层层堆积而成，对产品的形状几乎没有限制，可直接成型网格、空腔等复杂结构，因此常被用于制造形状复杂、难加工的零件，在众多领域应用广泛。
cn109261958a公开了一种表面包覆钽涂层的医用多孔钛或钛合金材料的制备方法，该方法首先采用3d打印法制备多孔钛骨架或多孔钛合金骨架，然后将多孔钛骨架或多孔钛合金骨架腐蚀后进行清洗和干燥，再完全包埋于金属包套内的超细钽粉中，经真空封口后进行低温扩散烧结，最后取出后清除粉末，得到表面包覆钽涂层的医用多孔钛或钛合金材料。该方法只是骨架材料采用3d打印进行制备，包覆层的制备受骨架的结构影响较大，对于复杂结构难以形成均匀包覆层。
cn111411254a公开了一种钨增强铜复合材料及其制备方法，该复合材料按照体积分数，铜粉不少于50％，其余为钨粉；该制备方法包括：先采用激光选区熔化设备由钨粉预制多孔钨骨架，再将多孔钨骨架酸洗、电镀，得到镀铜多孔钨骨架；将铜粉压制成块体待熔渗纯铜压坯，再将铜压坯置于镀铜多孔钨骨架上方，共同置于模具腔体中进行高温烧结，取出后除掉表面浮铜，即得所需钨增强铜复合材料；该方法仍是采用激光选区熔化法制备多孔骨架结构，另一组分则是融化后进入骨架内部，并非继续采用3d打印法制备，并不涉及两种材料的宏观组合并由此制备复合材料。
综上所述，对于复合结构材料的制备，还需要根据不同材料的特性和结构特点，选择合适的组合方式及制备方法，以满足材料的性能要求，同时降低原料及工艺成本。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种3d打印铜铝复合材料及其制备方法，通过采用激光选区熔化的方法在含铜组件基础上复合含铝组件，以形成铜铝复合材料，充分利用铜、铝金属的特性，同时避免传统复合界面处脆性相的生成，提高复合材料的性能，使所得复合材料具有质量轻、强度高、结构致密以及耐腐蚀性强的优点，可适用领域更广。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种3d打印铜铝复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将含铜粉末置于3d打印设备内，铺粉后进行激光选区熔化成形，层层加工得到含铜基体部分；
(2)将步骤(1)得到的含铜基体部分的加工面上铺设含铝粉末，再次进行激光选区熔化成形，加工所得成形件进行退火处理，得到3d打印铜铝复合材料。
本发明中，采用激光选区熔化的方法先制备含铜基体，再以此次为基础采用同样方法添加含铝部件，从而得到铜铝复合材料，两者的接触面以粉末局部融化再凝固后结合，能够避免传统铜铝结合时界面处脆性相的生成，提高复合材料的强度和稳定性，也能够提高复合材料的导电、导热性能，降低界面处的接触热阻；通过以铝来部分代替铜，可以降低复合材料的密度，且激光选区熔化使得材料的致密度较高，且适合于具有复杂结构的结构件的制备，适用范围更广。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述含铜粉末的材料包括铜或铜合金。
优选地，所述铜合金包括铜铬锆合金、铜铬合金或铜锆合金中任意一种。
优选地，步骤(1)所述含铜粉末的粒径为15～53μm，通常所述含铜粉末的粒径并不能完全为同一数值，而是集中在某段数值范围内，可以平均粒径来计量，例如20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述含铜粉末均匀铺设在3d打印设备的加工平台上。
优选地，步骤(1)所述铺粉的厚度为30～50μm，例如30μm、35μm、40μm、45μm或50μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述3d打印设备的基板预热温度为80～150℃，例如80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述激光选区熔化的激光功率为300～370w，例如300w、310w、320w、330w、340w、350w、360w或370w等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述激光选区熔化的激光扫描速度为400～700mm/s，例如400mm/s、450mm/s、500mm/s、550mm/s、600mm/s、650mm/s或700mm/s等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述激光选区熔化的光斑直径为80～120μm，例如80μm、90μm、100μm、110μm或120μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述激光选区熔化过程中设备内通入保护性气体，控制氧含量在1000ppm以下，例如1000ppm、900ppm、800ppm、700ppm、600ppm或500ppm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述保护性气体包括惰性气体和/或氮气。
本发明中，通过通入保护性气体来排除设备的的空气，从而控制氧气含量，避免对激光选区熔化过程中金属的过度氧化而影响复合材料的组成和性能，而保护性气体的通入维持设备成形仓内的压力为常压，在此条件下进行激光选区熔化成形。
优选地，步骤(1)所述含铜基体成形后，取出清理粉末，再进行步骤(2)的操作。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述含铝粉末的材料包括铝或铝合金。
优选地，所述铝合金包括铝硅合金。
优选地，步骤(2)所述含铝粉末的粒径为15～53μm，通常所述含铜粉末的粒径并不能完全为同一数值，而是集中在某段数值范围内，可以平均粒径来计量，例如20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述含铜基体部分的加工面为平整面。
本发明中，根据激光选区熔化成形方法所用设备及操作特点，铺粉时的平台表面为水平面，在含铜基体上进一步铺设铝粉制备复合材料时，含铜基体的铺粉表面也要求是水平面。
优选地，步骤(2)所述含铝粉末的铺粉厚度为30～50μm，例如30μm、35μm、40μm、45μm或50μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述3d打印设备的基板预热温度为80～150℃，例如80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述激光选区熔化的激光功率为250～370w，例如250w、270w、280w、300w、320w、340w或370w等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述激光选区熔化的激光扫描速度为1000～1500mm/s，例如1000mm/s、1100mm/s、1200mm/s、1300mm/s、1400mm/s或1500mm/s等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，采用激光选区熔化法制备含铜基体和含铝组件时，两者选择激光功率以及激光扫描速度不同，前者的激光功率较大，而扫描速度较小，后者的激光功率较小，而扫描速度却较大，如此选择的依据在于铜合金对激光的反射率高于铝合金，且铜合金的熔点相比铝合金较高。
优选地，步骤(2)所述激光选区熔化的光斑直径为80～120μm，例如80μm、90μm、100μm、110μm或120μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述激光选区熔化过程中设备内通入保护性气体，控制氧含量在1000ppm以下，例如1000ppm、900ppm、800ppm、700ppm、600ppm或500ppm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述退火处理在真空条件下进行。
优选地，步骤(2)所述退火处理的压力为5×10-3pa以下，例如5×10-3pa、4×10-3pa、3×10-3pa、2×10-3pa或1×10-3pa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述退火处理的温度为200～300℃，例如200℃、220℃、250℃、270℃或300℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述退火处理的时间为2～5h，例如2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述退火处理后随炉冷却。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将含铜粉末均匀铺设在3d打印设备的加工平台上，所述含铜粉末的粒径为15～53μm，铺粉厚度为30～50μm，基板预热温度为80～150℃，然后进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为300～370w，激光扫描速度为400～700mm/s，光斑直径为80～120μm，设备内通入保护性气体，控制氧含量在1000ppm以下，多次铺粉，加工得到含铜基体部分；
(2)将步骤(1)得到的含铜基体部分的加工面上铺设含铝粉末，所述含铝粉末的粒径为15～53μm，铺粉厚度为30～50μm，基板预热温度为80～150℃，再次进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为250～370w，激光扫描速度为1000～1500mm/s，光斑直径为80～120μm，设备内通入保护性气体，控制氧含量在1000ppm以下，加工所得成形件进行退火处理，所述退火处理在真空条件下进行，压力为5×10-3pa以下，退火处理的温度为200～300℃，时间为2～5h，然后随炉冷却，得到3d打印铜铝复合材料。
另一方面，本发明还提供了一种采用上述制备方法得到的3d打印铜铝复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过采用激光选区熔化的方法在含铜组件基础上复合含铝组件，以形成铜铝复合材料，既能充分利用铜、铝金属的特性，同时避免传统复合界面处脆性相的生成，提高复合材料的性能，使所得复合材料具有质量轻、强度高、结构致密以及导电、导热性能优异的特点；
(2)本发明所述方法操作简便，控制精度高，尤其适合复杂结构件的制备，能耗及成本较低。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
本发明具体实施方式部分提供了一种3d打印铜铝复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将含铜粉末置于3d打印设备内，铺粉后进行激光选区熔化成形，层层加工得到含铜基体部分；
(2)将步骤(1)得到的含铜基体部分的加工面上铺设含铝粉末，再次进行激光选区熔化成形，加工所得成形件进行退火处理，得到3d打印铜铝复合材料。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种3d打印铜铝复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铜铬合金粉末均匀铺设在3d打印设备的加工平台上，所述合金粉末的平均粒径为30μm，铺粉厚度为40μm，基板预热温度为120℃，然后进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为340w，激光扫描速度为550mm/s，光斑直径为100μm，设备内通入氩气，控制氧含量为800ppm，多次铺粉，加工得到铜铬合金基体部分，取出后清理粉末；
(2)将步骤(1)得到的铜铬合金基体部分的加工面上铺设铝硅合金粉末，所述铝硅合金粉末的平均粒径为30μm，铺粉厚度为40μm，基板预热温度为120℃，再次进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为300w，激光扫描速度为1200mm/s，光斑直径为100μm，设备内通入氩气，控制氧含量为800ppm，加工所得成形件进行退火处理，所述退火处理在真空条件下进行，压力为5×10-3pa，退火处理的温度为200℃，时间为5h，然后随炉冷却，得到3d打印铜铝复合材料。
本实施例中，所述铜铝复合材料结构致密，强度较高，可达350mpa，且导电、导热性能较好。
实施例2：
本实施例提供了一种3d打印铜铝复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铜锆合金粉末均匀铺设在3d打印设备的加工平台上，所述合金粉末的平均粒径为45μm，铺粉厚度为30μm，基板预热温度为80℃，然后进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为300w，激光扫描速度为400mm/s，光斑直径为80μm，设备内通入氩气，控制氧含量为1000ppm，多次铺粉，加工得到铜锆合金基体部分，取出后清理粉末；
(2)将步骤(1)得到的铜锆合金基体部分的加工面上铺设铝粉，所述铝粉的平均粒径为50μm，铺粉厚度为30μm，基板预热温度为80℃，再次进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为250w，激光扫描速度为1000mm/s，光斑直径为80μm，设备内通入氩气，控制氧含量为1000ppm，加工所得成形件进行退火处理，所述退火处理在真空条件下进行，压力为4×10-3pa，退火处理的温度为250℃，时间为3h，然后随炉冷却，得到3d打印铜铝复合材料。
本实施例中，所述铜铝复合材料结构致密，强度较高，可达300mpa，且导电、导热性能较好。
实施例3：
本实施例提供了一种3d打印铜铝复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铜铬锆合金粉末均匀铺设在3d打印设备的加工平台上，所述合金粉末的平均粒径为20μm，铺粉厚度为50μm，基板预热温度为150℃，然后进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为370w，激光扫描速度为700mm/s，光斑直径为120μm，设备内通入氖气，控制氧含量为600ppm，多次铺粉，加工得到铜铬锆合金基体部分，取出后清理粉末；
(2)将步骤(1)得到的铜铬锆合金基体部分的加工面上铺设铝粉，所述铝粉的平均粒径为25μm，铺粉厚度为50μm，基板预热温度为150℃，再次进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为360w，激光扫描速度为1500mm/s，光斑直径为120μm，设备内通入氖气，控制氧含量为600ppm，加工所得成形件进行退火处理，所述退火处理在真空条件下进行，压力为3×10-3pa，退火处理的温度为220℃，时间为4h，然后随炉冷却，得到3d打印铜铝复合材料。
本实施例中，所述铜铝复合材料密度结构致密，强度较高，可达330mpa，且导电、导热性能较好。
实施例4：
本实施例提供了一种3d打印铜铝复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铜粉均匀铺设在3d打印设备的加工平台上，所述铜粉的平均粒径为40μm，铺粉厚度为35μm，基板预热温度为100℃，然后进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为320w，激光扫描速度为500mm/s，光斑直径为110μm，设备内通入氮气，控制氧含量为500ppm，多次铺粉，加工得到铜基体部分，取出后清理粉末；
(2)将步骤(1)得到的铜基体部分的加工面上铺设铝硅合金粉末，所述铝硅合金粉末的平均粒径为40μm，铺粉厚度为35μm，基板预热温度为100℃，再次进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为280w，激光扫描速度为1350mm/s，光斑直径为110μm，设备内通入氮气，控制氧含量为500ppm，加工所得成形件进行退火处理，所述退火处理在真空条件下进行，压力为2×10-3pa，退火处理的温度为300℃，时间为2h，然后随炉冷却，得到3d打印铜铝复合材料。
本实施例中，所述铜铝复合材料结构致密，强度较高，可达280mpa，且导电、导热性能较好。
实施例5：
本实施例提供了一种3d打印铜铝复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铜铬锆合金粉末均匀铺设在3d打印设备的加工平台上，所述合金粉末的平均粒径为25μm，铺粉厚度为45μm，基板预热温度为135℃，然后进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为360w，激光扫描速度为600mm/s，光斑直径为90μm，设备内通入氩气，控制氧含量为100ppm，多次铺粉，加工得到铜铬锆合金基体部分，取出后清理粉末；
(2)将步骤(1)得到的铜铬锆合金基体部分的加工面上铺设铝硅合金粉末，所述铝硅合金粉末的平均粒径为25μm，铺粉厚度为45μm，基板预热温度为135℃，再次进行激光选区熔化成形，所述激光选区熔化的激光功率为320w，激光扫描速度为1100mm/s，光斑直径为90μm，设备内通入氩气，控制氧含量为500ppm，加工所得成形件进行退火处理，所述退火处理在真空条件下进行，压力为1×10-3pa，退火处理的温度为270℃，时间为3h，然后随炉冷却，得到3d打印铜铝复合材料。
本实施例中，所述铜铝复合材料结构致密，强度较高，可达290mpa，且导电、导热性能较好。
对比例1：
本对比例提供了一种铜铝复合材料的制备方法，所述制备方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：采用步骤(1)和步骤(2)中的操作分别制备铜铬合金基体和铝硅合金部件，再将两者采用机械螺钉连接。
本对比例中，由于铜铬合金基体和铝硅合金部件两部分结合是采用机械连接方式，两者的结合作用较弱，尤其是两者之间容易存在空隙，存在较大的接触热阻，导热及导电性能相比实施例1降低30％以上，且接头处容易形成腐蚀环境，使得材料耐腐蚀性降低。
综合上述实施例和对比例可以得出，本发明通过采用激光选区熔化的方法在含铜组件基础上复合含铝组件，以形成铜铝复合材料，既能充分利用铜、铝金属的特性，同时避免传统复合界面处脆性相的生成，提高复合材料的性能，使所得复合材料具有质量轻、强度高、结构致密以及导电、导热性能优异的特点；所述方法操作简便，控制精度高，尤其适合复杂结构件的制备，能耗及成本较低。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明方法的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。