一种无铍高强度铜合金零件的热处理方法及其成形方法技术

本发明专利技术公开一种无铍高强度铜合金零件的热处理方法及其成形方法，热处理方法包括真空固溶热处理和双级时效处理，固溶处理：将零件放入真空热处理炉，在保温温度为850～900℃下，保温处理60～120min；一级时效处理：零件放入真空热处理炉，在保温温度600～800℃下，保温处理30～60min；二级时效处理：零件放入真空热处理炉，在保温温度460～550℃，保温处理8～17h。本发明专利技术的成形方法为采用选区激光熔化增材制造技术成形零件。本发明专利技术通过设计的热处理方法再次改善了铜合金成形件的组织特性，大幅度提升了材料的屈服强度，提高了材料的抗拉强度、硬度等性能；成形方法的设计可以让整个成形零件的成分更佳均匀，不存在宏观偏析。不存在宏观偏析。

【技术实现步骤摘要】
一种无铍高强度铜合金零件的热处理方法及其成形方法


[0001]本专利技术属于增材制造用新型金属材料热处理
，更具体地，涉及一种无铍高强度铜合金零件的热处理方法及其成形方法。

技术介绍

[0002]铜铍合金属于高强高导铜基合金，其屈服强度可以达到960MPa以上，抗拉强度更是可以达到1400MPa以上的水平；而且具有硬度高、耐磨、耐腐蚀、耐低温、散热快、无磁性、高的导电性、冲击无火花等综合性能；广泛用于航空航天衬套、轴瓦、压铸模、模具镶块等领域。但由于金属铍(Be)有毒，而此类铜合金中加有1～2wt.％Be元素，因此在加工过程和使用过程中会损害人的身体健康，并且对环境造成严重的污染；特别是在选区激光熔化(Select Laser Melting)成形工艺中使用的原材料是微米级球形金属粉末，与此同时粉末的生产制备过程更是如此。
[0003]现有的技术已经提出了一些替代铜铍合金的高强度铜合金，主要有Cu
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Ni
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Sn系调幅分解合金、铝青铜、铝黄铜等。现有的一种Cu
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Ni
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Sn系调幅分解合金的名义成分(wt.％)为9.5
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10.5Ni，7.5
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8.5Sn，1.0Zn，其余为Cu(C96800)；其屈服强度在680～820MPa。作为铜铍合金的另一种选择是铝青铜，一种现有的铝青铜的名义成分(wt.％)为18Al，14Mn，3Fe，2Ni，其余为Cu(ZCuAl18Mn14Fe3Ni2)，其屈服强度低于420MPa。而现有的一种铝黄铜的名义成分(wt.％)为25Zn，6Al，3Fe，3Mn,其余为Cu(ZCuAl6Fe3Mn3)，其屈服强度被限制在450MPa以内。虽然这些铜合金可以部分替代铍铜合金用于一些零部件的制造，但它们的性能(强度、耐磨性等)与铍铜合金相比仍有不小差距，因此本专利技术致力于提供一种无铍高强度铜合金，这种合金的机械性能和摩擦学性能可与铜铍合金相媲美；此外，这些性能的获得不需要进行冷加工，使随形冷却内流道等类似复杂结构选区激光熔化(SLM)成形或大截面的部件的制造成为可能。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在解决上述存在的至少部分技术问题以及实现上述目的，提供一种无毒无铍高强度铜合金粉末、铜合金粉末的制备方法、铜合金零件的热处理方法以及铜合金零件的选区激光熔化成形方法。其中，本专利技术依据合金元素的作用机理和选区激光熔化成形机理，针对性的重新设计了无铍高强合金粉末、铜合金零件的制备技术路线和铜合金零件的热处理技术。本专利技术根据合金元素的作用机理和选区激光熔化成形机理，不仅可以充分利用选区激光熔化的快速冷却来细化材料的晶粒尺寸，而且可以让整个成形零件的成分更佳均匀，不存在宏观偏析。此外，在取得同等效果的情况下，无需担心在材料制备过程中金属铍对人体的伤害以及环境的污染，让其成为一种无毒、友好的环保型铜合金。
[0005]根据本专利技术的第一方面，提供一种无铍高强度铜合金，包括如下质量百分数的组分：20
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25％Ni，5
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8％Sn，1.5
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2.2％Al，0.5
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1.0％Co，0.2
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1.0％Nb，0.05
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0.15％Ti，0.5
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1.0％V，0.002
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0.006％B，余量为Cu和不可避免的杂质。
[0006]优选的，所述铜合金中Ni的摩尔数与Sn、Al、Co、Nb、Ti的摩尔数之和的比例近似为3:1。
[0007]优选的，所述铜合金包括如下质量百分数的组分：24％Ni，5％Sn，2％Al，1％Co，0.5％Nb，0.05％Ti，0.75％V，0.005％B，余量为Cu和不可避免的杂质。
[0008]优选的，所述铜合金包括如下质量百分数的组分：20％Ni，7％Sn，1.5％Al，0.5％Co，0.2％Nb，0.05％Ti，0.6％V，0.005％B，余量为Cu和不可避免的杂质。
[0009]上述铜合金的析出相为Ni3Al，Ni3Sn，Ni3Nb，Ni3V，Ni3(Al,Sn)，(Ni,Cu)3(Al,Sn)，(Ni,Cu)3(Al,Sn,X)，(Ni,Cu,Co)3(Al,Sn,X)中的一种或几种，其中X为Nb、Ti、V中的至少一个元素。
[0010]根据本专利技术的第二方面，提供一种上述的适用于激光增材制造的无铍高强度铜合金粉末的制备方法，包括如下步骤：
[0011](1)真空熔炼：按照上述质量百分比称取合金元素原材料，并将原材料装入真空感应熔炼炉的熔炼坩埚中，真空熔炼得到铜合金熔体；
[0012](2)保温精炼：将铜合金熔体加热至1200～1300℃后保温精炼20～40min；
[0013](3)注入气体介质：关闭真空系统，打开充气阀向熔炼室充入高纯度气体介质；
[0014](4)气雾化喷粉：充气完成后，将铜合金熔体浇注到中间包，经导流管流经雾化喷嘴被高压高速的气体介质冲击破碎成细小液滴，在冷却凝固的同时发生球化，形成球形金属粉末；
[0015](5)筛分：将步骤(4)中得到的球形金属粉末经振动筛分和旋风分级处理，得到15
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53μm粒度的粉末，即得所述无铍高强度铜合金粉末。
[0016]进一步的，所述步骤(1)中的熔炼坩埚为石墨坩埚；真空熔炼的真空度为低于1.33Pa。
[0017]进一步的，所述步骤(4)中气雾化的气体介质为99.999％的氩气或氮气；气体介质的压力为3
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6MPa，气体介质的流量为600
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1200Nm3/h。
[0018]进一步的，所述步骤(4)中气雾化的气体介质被加热，加热温度为60～200℃。
[0019]进一步的，所述步骤(5)的筛分包括：采用震动筛分机筛分，使用筛网目数为270目，筛分后将粉末继续进行旋风分级处理，得到15～53μm合金粉末。
[0020]进一步的，制备的无铍高强度铜合金粉末的氧含量小于400ppm。
[0021]根据本专利技术的第三方面，提供一种无铍高强度铜合金增材制造零件的热处理方法，包括以下步骤：
[0022](1)真空固溶热处理：将铜合金零件放入真空热处理炉，在保温温度为850～900℃下，保温处理60～120min，然后取出冷却至室温，冷却介质为水或油；
[0023](2)一级时效处理：将步骤(1)所得的铜合金零件放入真空热处理炉中，在保温温度600～800℃下，保温处理30～60min，然后取出冷却至室温，冷却介质为水或油；
[0024](3)二级时效处理：将步骤(2)所得的铜合金零件放入真空热处理炉中，在保温温度460～550℃，保温处理8～17h，然后取出冷却至室温，冷却介质为水或油。
[0025]选区激光熔化快速成型时为一层一层的逐层打印，每一层都是粉末在激光照射下在原有基体的基础上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无铍高强度铜合金零件的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)真空固溶热处理：将铜合金零件放入真空热处理炉，在保温温度为850～900℃下，保温处理60～120min，然后取出冷却至室温，冷却介质为水或油；(2)一级时效处理：将步骤(1)所得的铜合金零件放入真空热处理炉中，在保温温度600～800℃下，保温处理30～60min，然后取出冷却至室温，冷却介质为水或油；(3)二级时效处理：将步骤(2)所得的铜合金零件放入真空热处理炉中，在保温温度460～550℃，保温处理8～17h，然后取出冷却至室温，冷却介质为水或油。2.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤(1)的真空固溶热处理的加热方式采用阶梯式升温。3.如权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，所述阶梯式升温包括：按照3～7℃/min的升温速率将铜合金零件加热到750～800℃并保温15～30min，然后再以3～5℃/min的升温速率加热到850～900℃，保温60～120min。4.一种无铍高强度铜合金零件的成形方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，使用计算机建模，针对打印需要建立对应的三维几何模型，然后将所述三维几何模型输入至选区激光熔化3D打印设备中，同时生成二维切片轮廓的扫描；S2，将铜合金粉末放入选区激光熔化3D打印设备中，并依据步骤S1所建立的模型在基板上逐层打印，直至完成打印，得到铜合金块；S3，将步骤S2得到的铜合金块放入马沸炉中进行去应力退火；S4，对步骤S3中经过退火后的铜合金块切割，以使得所述基板与铜合金件分离，得到铜合金零件；S5，采用权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：谭建均，应华，
申请(专利权)人：安德伦重庆材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：