【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及了一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末及制备方法与应用，特别涉及了一种用于航空航天发动机材料的多相复合强化铜合金粉末及制备方法与应用，属于航空航天发动机用材料。
技术介绍
1、铜合金及铜基复合材料由于能够适当地平衡导热系数、力学性能、疲劳寿命和经济考虑，已成为航天飞行器发动机关键部件的主要应用材料。为了实现高效率传热换热，航天飞行器发动机的燃烧室、喷嘴和热交换器等结构件往往设计有内部冷却通道或细长通孔这类异形复杂换热结构，因而传统生产工艺极其复杂，既包含了传统锻造、铸造、机加工、热处理、焊接等技术，又包含了激光加工、电子束加工、超塑性成形和涂层等新工艺技术，且生产周期较长。采用具有高自由设计度的激光增材制造一体化成形，能够方便快速的实现复杂零件的高精度成形，为航空航天发动机的结构设计优化与高效技术迭代提供了一种新的途径。
2、然而，增材制造铜合金在航天发动机领域的推广应用仍面临挑战。纯铜和铜合金具有较低激光吸收率，熔化粉末需要更高能量，导致加工窗口窄，约束在高激光功率低扫描速度区域。随着我国提出“发展航天事业，建设航天强国”的目标，运载火箭发动机工况越来越恶劣，如燃烧室温度高达3600k、喷管喉部热流密度164mw/m2。这对新材料与发动机核心部件的极限性能要求更加迫切，传统铜合金的性能已难以满足要求。目前解决此类问题的常规方法有添加大量合金化元素、粉末表面改性、外加陶瓷颗粒。添加大量合金化元素改善激光吸收率，尽管同时提升了一定的强度但会影响导电导热性。通过粉末化学表面改性提高激光吸收率，但容易
3、因此本专利技术提出一种用于航空航天发动机材料的多相复合强化铜合金粉末及制备方法，以满足航天领域铜合金增材制造需求。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的缺陷，本专利技术的第一个目的是在于提供一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末，该多相复合强化铜合金粉末通过在铜中添加适量的固溶度低的合金，使得其具有优异的激光吸收率、导热性、高温性能和可打印性，尤其适用于激光增材制造。
2、本专利技术的第二个目的在于提供一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的制备方法，该方法是通过铜与低固溶度成分的相互协调作用，配合采用特殊的雾化氛围的气雾化法原位形成强化颗粒，制备出具有优异的激光吸收率和可打印性的铜合金粉末。
3、本专利技术的第三个目的是在于提供一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的应用，将其应用于激光增材制造制备铜合金成形件，可以向铜合金中引入高密度位错通道，所制备的成形件的强度高、导热性能和高温性能优异。
4、为了实现上述技术目的，本专利技术提供一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末，按质量百分比计包括以下组分：cr：0.10～2.13％；nb：0.09～1.90％；ti：0.47～1.03％；n：0.13～0.30％；余量为cu和不可避免的杂质。
5、由于纯铜具有较低的激光吸收率，往往需要千瓦级激光器才能进行激光增材制造，而本专利技术技术方案通过在cu中添加固溶度低的合金化组分ti、cr和nb，减少固溶原子对电子的散射，从而提高了铜合金的导电导热性，并通过合理设计各组分的质量百分含量，使得合金粉末具有优异的激光吸收率、导热性、高温性能和可打印性等优点。本专利技术需要严格控制各组分的质量百分比，合金组分中若cr过量会导致大量其固溶在基体影响合金导电导热性；而nb受其自身的熔点特性影响，若过量时，会无法实现熔炼工艺；且当cr、nb含量同时超过质量百分比范围，在制备粉末时，溶体在进入喷嘴之前形成大量的cr2nb，容易造成堵包，导致制粉难度高，且制备的粉末中部分cr2nb为单独存在的细小粉末颗粒，打印时团聚难以分散，最终影响成形件性能。而这两种组分的质量百分比过低时，形成的析出相较少甚至没有析出相，无法提高合金室温和高温力学性能。此外，适量的ti可在打印过程中使ti捕获o原位生成富ti的氧化物，降低cu基体中的氧含量，有利于型材的强度和导电导热性的提升，若ti含量过高容易增加合金中氧含量，不利于获得较好的强度与塑性组合。再加上通过氮氩混合气体引入氮元素，使得合金中含有适量的氮与ti原位反应形成tin充当增强体，进一步增强了铜合金的强度且保持了优异的导电和导热性能。
6、进一步优选，cr：1.48～1.80％；nb：1.32～1.61％；ti：0.56～0.65％；n：0.16～0.19％；余量为cu和不可避免的杂质。此范围内合金的导热性能、抗拉强度和高温下的抗拉强度的综合性能更高。
7、作为一种优选的方案，所述cr和nb的质量比为1.0～1.2：1。本专利技术中cr和nb的质量比会直接影响熔炼工艺和成形件性能。若cr和nb的质量比超过范围，则cr含量过高，大量cr固溶在基体中，会影响合金的导电性；而cr和nb的质量比低于范围，则nb含量过高，过量的nb因熔点大而在熔炼时难熔。进一步优选为cr和nb的质量比为1.11～1.13：1。
8、作为一种优选的方案，所述杂质包含o和fe；所述o小于500ppm，fe小于50ppm。本专利技术中通过雾化时采用高纯惰性气体，以及控制原料的纯度为99.98％以上以及坩埚选用氧化锆或氧化镁，可以有效减小铜合金杂质中o和fe含量。本专利技术中若o和fe含量过高都会导致合金的导电导热性能下降。
9、本专利技术第二个目的是在于提供一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的制备方法，该方法是将设计比例配取各原料通过含氮雾化气氛的气雾化制粉，即得。
10、本专利技术技术方案的关键在于：利用cu和低固溶度组分的合理配比，以含氮雾化气氛的气雾化法原位反应形成强化相tin，同时含氮雾化气氛可以诱导ti、cr和nb向表面扩散，使制备得到的预合金粉末具有高的激光吸收率，从而可在较低功率下成形，使得其特别适用于激光增材制造。
11、作为一种优选的方案，所述气雾化为真空感应熔炼气雾化(viga)、电极感应熔炼气雾化(eiga)和等离子旋转电极气雾化(prep)中的一种。
12、作为一种优选的方案，所述含氮雾化气氛为氮气和氩气的混合气体；所述氮气和氩气的体积比为1：3～5。本专利技术技术方案采用含氮的雾化氛围，可以促使粉末雾化过程中原位形成tin强化颗粒，且尺寸为纳米级，相比于外加法制备的tin颗粒尺寸更加细小且结构均匀弥散，界面更为洁净，在提升合金的强度的同时不损害铜合金的导电导热性能。若混合气体中氮气体积过多时，形成的tin强化颗粒尺寸更大更不均匀，且容易与nb形成有害相nbn，若混合气体中氮气体积过少时，铜合金中形成的强化颗粒tin含量过少，所制备的铜合金的强度低。
13、作为一种优选的方案，所述气雾化温度为1720～1800℃。
14、本专利技术还提供了一本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末，其特征在于：按质量百分比计包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末，其特征在于：所述Cr和Nb的质量比为1.0～1.2：1。
3.根据权利要求1或2所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末，其特征在于：所述杂质包含O和Fe；所述O小于500ppm，Fe小于50ppm。
4.权利要求1～3任一项所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的制备方法，其特征在于：将设计比例配取各原料通过含氮雾化气氛的气雾化制粉，即得。
5.根据权利要求4所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的制备方法，其特征在于：所述含氮雾化气氛为氮气和氩气的混合气体；所述氮气和氩气的体积比为1：3～5。
6.根据权利要求5所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的制备方法，其特征在于：所述气雾化温度为1720～1800℃。
7.权利要求1～3任一项所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的应用，其特征在
8.根据权利要求7所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的应用，其特征在于：所述激光增材制造的条件为：激光功率为70～150W，扫描速度为650～1200mm/s，打印间距为0.8～1.0mm，铺粉层厚为30～45μm。
9.根据权利要求7所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的应用，其特征在于：所述应用于激光增材制造后需要依次进行成形处理和时效处理；所述时效处理为单级时效处理或双级时效处理。
10.根据权利要求9所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的应用，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末，其特征在于：按质量百分比计包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末，其特征在于：所述cr和nb的质量比为1.0～1.2：1。
3.根据权利要求1或2所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末，其特征在于：所述杂质包含o和fe；所述o小于500ppm，fe小于50ppm。
4.权利要求1～3任一项所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的制备方法，其特征在于：将设计比例配取各原料通过含氮雾化气氛的气雾化制粉，即得。
5.根据权利要求4所述的一种面向激光增材制造的多相复合强化铜合金粉末的制备方法，其特征在于：所述含氮雾化气氛为氮气和氩气的混合气体；所述氮气和氩气的体积比为1：3～5。
6.根据权利要求5所述的一种面向...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈超，舒忠良，董鹏，严振宇，陈帅，耿赵文，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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