适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法与流程

1.本发明涉及复合材料粉末技术领域，特别涉及适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法。


背景技术：

2.铜及铜合金具有优良的导热、导电、延展、耐腐蚀等特性，因此铜在航空航天、武器装备某些应用场合是首选材料。在增材制造领域中，今年来铜合金材料也呈现快速发展的趋势，军工领域对铜合金增材制造的需求，对该方向起到了强烈的促进作用。尽管目前铜合金在打印方面仍存在部分问题，全球铜合金增材制造市场依旧以超过50％的年复合增长率飞速增长着。
3.cucrzr合金为现阶段增材制造市场上可用铜合金粉末之一，由于其自身具备优异的力学性能，可用于火箭发动机的零部件制造。现有技术如公开号为cn112719279a的专利申请公开了一种3d打印用cucrzr合金粉制备方法，通过球磨进行混粉，对烧结粉末进行冷等静压获得胚料，梯度加热后获得cucrzr合金电极；后进行电极感应气雾化制粉，筛分后得到相应粒度的粉末材料。该增材制造用cucrzr合金粉末的制备方法，过程较为复杂，存在引入外部污染、颗粒增强相分布不均匀、球形度较低的问题，难以用于增材制造成型，这也成为了限制其应用的一个瓶颈。


技术实现要素：

4.发明的目的在于提供适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，解决了现有的制备方法，过程较为复杂，存在引入外部污染、颗粒增强相分布不均匀、球形度较低的问题，难以用于增材制造成型的问题。
5.本发明是这样实现的，适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
6.步骤一、以电解铜、铜钛中间合金、铜硼中间合金、金属铬、海绵锆作为原材料，采用原位生长方式制备cucrzr/tib2复合材料铸锭；
7.步骤二、将所述cucrzr/tib2复合材料铸锭加工成圆柱形后，采用等离子旋转电极制粉方式制备cucrzr/tib2粉末；
8.步骤三、筛分出适用于增材制造所需粒度的铜合金复合材料粉末。本发明的铜合金复合材料粉末以tib2作为陶瓷颗粒增强相，利用其具有高强度、高模量以及良好的高温性能等特点，可显著改善基体的性能，克服铜合金导电率和强度无法兼容的缺点。
9.本发明的进一步技术方案是：所述原材料中，金属铬的质量占比为0.5-0.8％，海绵锆的质量占比为0.4-0.7％。
10.本发明的原材料中，电解铜的纯度≥99.5％，金属铬的纯度≥99.5％，海绵锆的纯度≥99.5％。
11.本发明的进一步技术方案是：所述铜钛中间合金包括cuti15、cuti20、cuti50中的
至少一种；铜钛中间合金选用cuti15时，其在原材料中的质量占比为13.3-16％；铜钛中间合金选用cuti20时，其在原材料中的质量占比为10-12％；铜钛中间合金选用cuti50时，其在原材料中的质量占比为4-4.8％。
12.本发明的进一步技术方案是：所述铜硼中间合金包括cub4、cub6中的至少一种；铜硼中间合金选用cub6时，其在原材料中的质量占比为14-18％；铜硼中间合金选用cub4时，其在原材料中的质量占比为21-27％。剩余质量为电解铜。
13.本发明的进一步技术方案是：所述步骤一为：将称量好的原材料金属铬、铜钛中间合金放入第一容器；海绵锆、铜硼中间合金放入第二容器，然后将电解铜分别加入第一容器和第二容器中，使得第一容器中原料总质量与第二容器的原料总质量相等；对第一容器和第二容器中的原料进行熔炼，熔炼温度均为1200-1300℃，保温10-20分钟；在惰性气体的保护下，对熔融液充分搅拌，将第一容器和第二容器内的熔融液混合后，继续搅拌至熔融液充分反应后，将熔融液浇筑至模型内，快速凝固成铸锭。
14.本发明的进一步技术方案是：铸锭除去冒口后加工为直径40-50mm、长度200-300mm的棒材。
15.棒材适合等离子旋转电极制粉方式进行粉末的制作。
16.本发明的进一步技术方案是：所述第一容器为第一坩埚，第二容器为第二坩埚，第一容器与第二容器内的原材料总质量相同。
17.本发明的进一步技术方案是：所述步骤二以cucrzr/tib2复合材料铸锭加工成复合材料棒材作为原料，在真空度达到10-3
pa以下后充入氩气至0.04-0.08mpa；电极棒转速为25000-30000rpm，得到成分均匀、球形度较高的复合材料粉末。
18.本发明的进一步技术方案是：所述步骤三对铜合金复合材料粉末采用气流分级的方式进行筛分。
19.本发明的进一步技术方案是：适用于增材制造的铜合金复合材料粉末的粒度为15-53微米。
20.本发明的有益效果：由于增材制造对于粉末的成分均匀性及球形度要求较高，现有的技术制备得到的粉末材料并不能很好的用于增材制造成型，本发明中采用原位生长的方式得到复合材料铸锭，采用原位生长的方式，得到的复合材料铸锭的颗粒增强相均匀性好，性能稳定，对铸锭进行处理成条状后采用等离子旋转电极制粉，等离子旋转电极制粉对于材料的均匀性要求高，经过原位生长的复合材料铸锭能很好的满足要求，经过原位生长得到的铸锭再经过等离子旋转电极制粉的方式制粉，得到的粉末球形度高且均匀性好，能很好的满足增材制造成型的要求；制造过程处于惰性气体保护环境，不易受到污染，经过气流分级后即可得到粉末粒度符合增材制造要求粒度的粉末。
具体实施方式
21.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
22.实施例一：
[0023][0024]
配料：分别称取电解铜、cuti20中间合金、cub6中间合金、金属铬、海绵锆作为原材料，质量比例为72.6％、10.28％、15.72％、0.8％、0.6％。
[0025]
将称量好的原材料放入两个石墨坩埚内，第一个坩埚内投入电解铜、铜钛中间合金、金属铬，第二个坩埚内投入电解铜、铜硼中间合金、海绵锆，坩埚内原料总质量相同。后将坩埚放入熔炼炉中加热至1300℃，保温15分钟；在惰性气体的保护下，对熔融液充分搅拌，将第二个坩埚内的熔融液均匀速度倒至第一个坩埚内，熔融液充分反应后，将熔融液浇筑至模型内，快速凝固成铸锭，铸锭除去冒口后加工为φ50mm圆棒，长度为220mm。
[0026]
加工成型的电极棒一端旋入连接头内，启动真空系统，雾化室真空度达到10-3
pa以下后充入氩气至0.04-0.08mpa；启动高速旋转后，带动电极棒以25000-30000r/min速度高速旋转；开启等离子枪产生高温等离子束作用于电极棒表面，电极棒表面熔化后的液膜在高速旋转离心力作用下形成液滴。液滴迅速冷却并在表面张力的作用下形成球形粉末。
[0027]
集粉罐内收得率的铜合金复合材料粉末采用气流分级的方式进行筛分，得到适用于增材制造的粒度范围在15-53微米的粉末。
[0028]
本实例中，tib2质量分数设计成分占复合材料粉末的3％。
[0029]
对粉末取多个点位测试成分计算平均值，cr：0.73％、zr：0.54％、ti：1.98％、b：0.92％，剩余质量分数为cu元素，粉末成分均匀性较好。
[0030]
对粉末进行球形度测试，粉末球形度为95.7％，满足增材制造需求。
[0031]
实施例二：
[0032]
配料：分别称取电解铜、cuti15中间合金、cub4中间合金、金属铬、海绵锆作为原材料，质量比例为61.15％、13.65％、23.75％、0.8％、0.65％。
[0033]
将称量好的原材料放入两个石墨坩埚内，第一个坩埚内投入电解铜、铜钛中间合金、金属铬，第二个坩埚内投入电解铜、铜硼中间合金、海绵锆，坩埚内原料总质量相同。后将坩埚放入熔炼炉中加热至1250℃，保温12分钟；在惰性气体的保护下，对熔融液充分搅拌，将第二个坩埚内的熔融液均匀速度倒至第一个坩埚内，熔融液充分反应后，将熔融液浇筑至模型内，快速凝固成铸锭，铸锭除去冒口后加工为φ45mm圆棒，长度为200mm。
[0034]
加工成型的电极棒一端旋入连接头内，启动真空系统，雾化室真空度达到10-3
pa以下后充入氩气至0.04-0.08mpa；启动高速旋转后，带动电极棒以25000-30000r/min速度高速旋转；开启等离子枪产生高温等离子束作用于电极棒表面，电极棒表面熔化后的液膜在高速旋转离心力作用下形成液滴。液滴迅速冷却并在表面张力的作用下形成球形粉末。
[0035]
集粉罐内收得率的铜合金复合材料粉末采用气流分级的方式进行筛分，得到适用于增材制造的粒度范围在15-53微米的粉末。
[0036]
对粉末取多个点位测试粉末成分，其中cr：0.78％、zr：0.59％、ti：2.03％、b：0.94％，剩余质量分数为cu元素，粉末成分均匀性较好。
[0037]
对粉末进行球形度测试，粉末球形度为96.1％，满足增材制造需求。
[0038]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：步骤一、以电解铜、铜钛中间合金、铜硼中间合金、金属铬、海绵锆作为原材料，采用原位生长方式制备cucrzr/tib2复合材料铸锭；步骤二、将所述cucrzr/tib2复合材料铸锭采用等离子旋转电极制粉方式制备cucrzr/tib2粉末；步骤三、筛分出适用于增材制造所需粒度的铜合金复合材料粉末。2.根据权利要求1所述的适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，其特征在于，所述原材料中，金属铬的质量占比为0.5-0.8％，海绵锆的质量占比为0.4-0.7％。3.根据权利要求1或2所述的适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，其特征在于，所述铜钛中间合金包括cuti15、cuti20、cuti50中的至少一种；铜钛中间合金选用cuti15时，其在原材料中的质量占比为13.3-16％；铜钛中间合金选用cuti20时，其在原材料中的质量占比为10-12％；铜钛中间合金选用cuti50时，其在原材料中的质量占比为4-4.8％。4.根据权利要求1或2所述的适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，其特征在于，所述铜硼中间合金包括cub4、cub6中的至少一种；铜硼中间合金选用cub6时，其在原材料中的质量占比为14-18％；铜硼中间合金选用cub4时，其在原材料中的质量占比为21-27％。5.根据权利要求1或2所述的适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，其特征在于，所述步骤一为：将称量好的原材料金属铬、铜钛中间合金放入第一容器；海绵锆、铜硼中间合金放入第二容器，然后将电解铜分别加入第一容器和第二容器中，使得第一容器中原料总质量与第二容器的原料总质量相等；对第一容器和第二容器中的原料进行熔炼，熔炼温度均为1200-1300℃，保温10-20分钟；在惰性气体的保护下，对熔融液充分搅拌，将第一容器和第二容器内的熔融液混合后，继续搅拌至熔融液充分反应后，将熔融液浇筑至模型内，快速凝固成铸锭。6.根据权利要求5所述的适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，其特征在于，铸锭除去冒口后加工为直径40-50mm、长度200-300mm的棒材。7.根据权利要求5所述的适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，其特征在于，所述第一容器为第一坩埚，第二容器为第二坩埚，第一容器与第二容器内的原材料总质量相同。8.根据权利要求1或2所述的适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，其特征在于，所述步骤二以cucrzr/tib2复合材料铸锭加工成复合材料棒材作为原料，在真空度达到10-3
pa以下后充入氩气至0.04-0.08mpa；电极棒转速为25000-30000rpm，得到复合材料粉末。9.根据权利要求1或2所述的适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，其特征在于，所述步骤三对铜合金复合材料粉末采用气流分级的方式进行筛分。10.根据权利要求1或2所述的适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，其特征在于，适用于增材制造的铜合金复合材料粉末的粒度为15-53微米。

技术总结
本发明公开了适用于增材制造的铜合金复合材料粉末制备方法，包括以下步骤：以电解铜、铜钛中间合金、铜硼中间合金、金属铬、海绵锆作为原材料，采用原位生长方式制备CuCrZr/TiB2复合材料铸锭；铸锭加工成圆柱形后，采用等离子旋转电极制粉方式制备CuCrZr/TiB2粉末；筛分出适用于增材制造所需粒度的粉末；本发明中复合材料铸锭的颗粒增强相均匀性好，性能稳定，得到的粉末球形度高且均匀性好，能很好的满足增材制造成型的要求；制造过程不会引入杂质，避免外部污染。避免外部污染。


技术研发人员：陈钰青 严雷鸣 颜铁林
受保护的技术使用者：航天科工（长沙）新材料研究院有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/9/23