【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及增材制造，尤其涉及一種電子束面打印逐層制備金剛石/銅復合材料的方法。
技術介紹
1、隨著高功率電子器件集成度和功率密度不斷提升，散熱問題愈發(fā)關鍵，傳統(tǒng)散熱材料難以滿足需求。金剛石基復合材料結合了金剛石的高熱導率、低熱膨脹系數(shù)，以及金屬優(yōu)異的導熱導電性能和良好的機械加工性能，具有諸多優(yōu)勢，在國防軍工、航空航天等高端技術電子封裝領域應用前景廣闊。以金剛石/銅為代表的金剛石基復合材料在理論上熱導率可達1000?w/m·k?以上，是第三代熱沉材料如sic/al復合材料的?5?倍。然而，金剛石與銅之間密度、表面形貌、流動性等物理性質差異大，在傳統(tǒng)熱壓、高溫高壓、放電等離子燒結等固相燒結中，將金剛石顆粒與銅粉混合時，會出現(xiàn)混料不均、分層、顆粒團聚等問題，在固結過程中銅粉僅通過塑性變形難以填充至金剛石顆粒之間，影響最終復合材料的致密度及其熱導率；其次，金剛石與金屬熱膨脹系數(shù)差異大，在固相燒結的冷卻過程中會因熱膨脹失配產(chǎn)生應力影響界面結合，導致間隙、裂紋等缺陷的產(chǎn)生，影響復合材料整體的致密度及其熱導率。
2、作為近凈成形技術中的關鍵代表，粉末床熔融成形技術（pbf）采用逐層熔融粉末材料的獨特方式，成功地將三維數(shù)字模型轉化為實體構件。與傳統(tǒng)制造工藝相比，pbf?技術能夠一體化制造傳統(tǒng)工藝難以企及的復雜結構。這不僅極大地拓展了零部件的設計自由度，而且顯著降低了零部件出現(xiàn)接縫缺陷的概率，從而有效提升了產(chǎn)品的整體性能與可靠性。基于不同能量源的粉末床熔融增材制造方式可分為激光粉末床熔融技術（l-pbf）和電子束粉末床熔融技術（e
3、與l-pbf相比，使用電子束作為能量源的eb-pbf有更高的能量利用率、粉末吸收率和成形效率，這種加工方式對脆性金屬、高溫合金、高反材料的加工提供了優(yōu)良的條件。然而，目前采用的電子束逐點掃描方式導致成形效率處于較低水平。同時，該技術受到電子槍偏轉范圍的制約，成型范圍相對有限。尤其在為提高精度而縮小聚焦束斑時，電子槍的偏轉范圍會受到更進一步的限制，這在一定程度上影響了該技術的應用范圍和效率。
4、目前暫無電子束逐層面打印金剛石復合材料的專利及研究，但有相關面打印光固化成形和選區(qū)激光熔化的相關研究和電子束面打印的相關裝置研究。因此，本專利技術采用電子束流，通過逐層面打印的方式制備金剛石/銅復合材料，解決傳統(tǒng)固相燒結中混料不均的問題，同時提高了電子束打印的效率。
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術的目的在于提供一種能夠實現(xiàn)高效率電子束增材制造制備金剛石/銅復合材料的方法。本專利技術采用電子束面曝光打印、逐層交替鋪粉、熔融銅粉層制備金剛石/銅復合材料，解決了固相燒結過程中金剛石分布不均、銅難以均勻填充的問題，去除了混料的步驟，避免混料過程中因物性差異大導致的混料不均，實現(xiàn)高致密高均勻性的金剛石/銅復合材料，提升復合材料的熱導率；提高了電子束粉末床熔融成形的效率及范圍，有利于實現(xiàn)熱管理應用工業(yè)化生產(chǎn)。
2、本專利技術首次提出采用奇數(shù)層為金剛石層、偶數(shù)層為銅粉層的布置，每次打印在銅粉層上采用電子束面曝光打印的策略，得到了性能極為優(yōu)異的產(chǎn)物。尤其是在金剛石粒徑相同時，本專利技術所得產(chǎn)品的性能遠遠優(yōu)于現(xiàn)有技術。
3、本專利技術解決了固相燒結過程中金剛石分布不均、銅難以均勻填充的問題，同時提高電子束粉末床熔融成形效率及范圍。同時本專利技術對原材料的要求比較寬松。
4、作為優(yōu)選，所述金剛石為表面有鍍覆層的金剛石，鍍覆層元素選自w、cr、ti中的一種或多種，鍍覆厚度為20?nm-5?μm，優(yōu)選為20-40?nm；鍍覆金剛石粒徑為30-400?μm。為了便于后續(xù)加工以及做到“高功率密度化”和“高度集成化”，作為優(yōu)選，本專利技術中，鍍覆金剛石粒徑優(yōu)選為50-80?μm，當然在本專利技術限定范圍內的其他粒徑也適用于本專利技術。在本專利技術所設計的工藝中，金剛石粒徑過大，比表面小，金剛石與銅之間進行界面結合驅動力不足，會影響到產(chǎn)品的最終性能。本專利技術中金剛石粒徑太小，在預熱過程中易發(fā)生團聚現(xiàn)象，影響銅粉熔融填充至金剛石顆粒之間。
5、作為優(yōu)選，所用銅粉粒徑為20-40?μm、純度＞99.95%。
6、作為優(yōu)選，先將電子束粉末床熔融設備抽真空，再預熱底板，預熱溫度為400-600℃，預熱后，現(xiàn)在底板鋪設一層金剛石層，然后再鋪設一層銅粉層，用電子束面曝光裝置對銅粉層進行整層熔融，電子束流10-18?ma，電子束流持續(xù)時間0.5-2?s，形成第一層金剛石/銅復合材料層；
7、以所述第一層金剛石/銅復合材料層重復上述步驟，制備下一層金剛石/銅復合材料層，直至達到所需金剛石/銅復合材料的厚度。
8、在本專利技術中，預熱溫度過低，冷卻速度過快，金剛石與銅熱膨脹系數(shù)差異大，會導致冷卻過程中界面結合能力下降，產(chǎn)生開裂、間隙等缺陷；預熱溫度過高，銅粉之間會形成燒結頸，影響刮刀均勻鋪粉。
9、底板預熱采用的電流為10-30?ma，時間為5-10?s。
10、單層金剛石粉末的鋪粉厚度為30-100?μm、優(yōu)選為60-90?μm。
11、單層銅粉的鋪粉厚度為30-100?μm、優(yōu)選為60-90?μm。本專利技術控制單層銅粉的鋪粉厚度為30-100?μm是為了控制金剛石銅復合材料中的銅含量、配合電子束面曝光打印工藝參數(shù)可以做到高效制備微觀組織良好、金剛石顆粒與銅均勻分布的金剛石銅復合材料。
12、本專利技術所選用適當參數(shù)的電子束面曝光打印，其在制備過程中能夠避免固相燒結中金剛石和銅粉分布不均，實現(xiàn)金剛石/銅復合材料的高致密和高熱導率。其次，電子束面曝光打印相比傳統(tǒng)的逐點掃描方式，大大提高了生產(chǎn)效率。
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1.一種分步鋪粉與面打印制備金剛石/銅復合材料的電子束增材制造方法，其特征在于：從下至上，采用奇數(shù)層為金剛石層、偶數(shù)層為銅粉層的布置，每次打印在銅粉層上采用電子束面曝光打印的策略，得到剛石/銅復合材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種分步鋪粉與面打印制備金剛石/銅復合材料的電子束增材制造方法，其特征在于：
3.根據(jù)權利要求1所述的一種分步鋪粉與面打印制備金剛石/銅復合材料的電子束增材制造方法，其特征在于：
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7.根據(jù)權利要求1所述的一種分步鋪粉與面打印制備金剛石/銅復合材料的電子束增材制造方法，其特征在于：單層銅粉的鋪粉厚度為30-100?μm、優(yōu)選為60-90?μm。
【技術特征摘要】
1.一種分步鋪粉與面打印制備金剛石/銅復合材料的電子束增材制造方法，其特征在于：從下至上，采用奇數(shù)層為金剛石層、偶數(shù)層為銅粉層的布置，每次打印在銅粉層上采用電子束面曝光打印的策略，得到剛石/銅復合材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種分步鋪粉與面打印制備金剛石/銅復合材料的電子束增材制造方法，其特征在于：
3.根據(jù)權利要求1所述的一種分步鋪粉與面打印制備金剛石/銅復合材料的電子束增材制造方法，其特征在于：
4.根據(jù)權利要求1所述的一種分步...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張偉，高璇，吳金波，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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