一种增材制造用Cu-(Cr2Nb)复合粉末的制备技术

本申请涉及激光增材制造，特别是涉及一种用于增材制造铜铬铌合金的粉末制备方法。

背景技术：

1、美国宇航局的一项帮助推进增材制造技术成熟的工作是“改变游戏规则的发展”计划下的长寿命增材制造组件。其目的是评估用铜铬铌合金来制造高负荷下的月球登陆器大小的火箭组合舱组件。铜铬铌合金是由美国宇航局格伦研究中心在20世纪80年代中期开发的。该合金具有理想的材料特性，如高导热性，高抗蠕变性，延长的低循环疲劳寿命，增强的抗氧化性以及在接近800度的高温下的高抗拉强度。这些合金是基于cr2nb析出相的弥散强化材料，cr2nb析出相是决定合金性能的关键因素。针对火箭发动机燃烧室，采用激光直接沉积(l-ded)技术来制造铜铬铌燃烧室内壁被认为是最有发展前途的技术路线。然而在l-del制造铜铬铌内壁时存在铜铬铌粉末成分不均匀、流动性差且对红外激光反射率高这三大难题，并且由于成分不均使得铬与铌不能按照2:1的原子比形成cr2nb，导致样品性能大幅降低，严重限制了该技术发展。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种成分可调且铬铌原子比严格符合2:1、流动性高、对红外激光反射率低的铜铬铌粉末制备方法。

2、本发明的技术方案为采用两步球磨法制备该铜铬铌粉末，所述两步球磨法包括以下步骤：

3、第一步：通过电弧熔炼技术制备成分为cr2nb的合金铸锭，将铸锭进行机械破碎后获得粗粉，之后将粗粉装入高速行星球磨机进行高速球磨为不规则细粉，过筛留取粒径小于1μm的纳米级粉末。

4、第二步：将上述纳米级cr2nb粉与粒径100微米左右的球形纯铜粉装入低速球磨机进行低速球磨，获得类芝麻球结构的cu-(cr2nb)复合粉末。

5、优选地，第一步中球磨机转速500～600rpm，磨球为氧化锆陶瓷球，氩气保护球磨4～10h。

6、优选地，第二步中球磨机转速100～200rpm，磨球为纯铜金属球，氩气保护球磨1～2h；纯铜粉经过600℃退火2h处理。

7、根据上述方法制得的cu-(cr2nb)复合粉末，具有类芝麻球结构，即cr2nb纳米粉镶嵌在铜微球表面形成类芝麻球的微结构；所述铜微球平均尺寸约100微米；所述cr2nb纳米粉的粒径小于1μm、形状不规则。

8、本发明还提供了一种上述方法制得的cu-(cr2nb)复合粉末的应用，所述cu-(cr2nb)复合粉末作为l-ded所用粉末原料，根据激光增材工艺制造铜铬铌合金块体，并评测块体性能。

9、优选地，上述应用中，所述激光增材工艺所用激光波长为1080nm，功率3800w，送粉盘转速0.5rpm。

10、本发明为了实现铬铌原子比严格符合2:1，特意在第一步采用电弧熔炼技术制备成分为cr2nb的合金铸锭，以该铸锭作为纳米级粉末的原材料，保障了每颗纳米级粉末成分均满足铬铌原子比为2:1。为了克服铜粉对红外激光高反射的难题，创新性地设计了cr2nb纳米粉镶嵌在铜微球表面形成类芝麻球形状的特殊结构。一方面，利用表面镶嵌的cr2nb纳米粉减小铜微球对红外激光的反射率，另一方面，利用这种类芝麻球结构实现铜、铬、铌三种物质的混合，保障了激光增材铜铬铌合金的成分均匀性。为实现该芝麻球结构，本发明特意设计了以粒径为100μm的球形铜粉、形状不规则的cr2nb纳米粉为原料，通过粗的球形粉与细的不规则粉有机搭配，以实现不规则cr2nb纳米粉镶嵌于球形铜粉表面。进一步的，为了保证镶嵌效果，本发明特意要求纯铜粉在600℃退火2h，使其充分退火软化，便于不规则cr2nb纳米粉镶嵌入铜球表面。为避免球形粉严重变形扁平化，本发明特意设计了低速球磨条件，保障所得粉末的流动性。通过上述粉末原料选择、铜粉软化、高速/低速球磨等技术手段的有机配合，获得高质量铜铬铌复合粉末，实现了铜铬铌合金的增材制造。

11、本发明具有的有益效果：

12、1.本发明提前预制cr2nb合金铸锭，保障了cu-(cr2nb)复合粉末里铬铌原子比符合2:1，保障了合金成分。

13、2.本发明在低速球磨过程中不添加助剂，且磨球为铜质，避免引入其他杂质。

14、3.在金属铜球的冲击作用下，cr2nb纳米粉镶嵌在铜粉表面，形成具有类芝麻球形状的特殊结构的cu-(cr2nb)，这种独特的结构能够提高cu-(cr2nb)复合粉末的致密度和均匀性，且表面的不规则cr2nb纳米粉降低了铜粉的高激光反射率，有益于激光增材制造技术制备出缺陷少、性能好的金属块体。

15、4.在行星球磨机低转速下，cu-(cr2nb)复合粉末保持与原始微球型铜粉一致的较高球形度，cu-(cr2nb)复合粉末具有良好的流动性。

技术特征：

1.一种增材制造用铜铬铌复合粉末，其特征在于：所述铜铬铌复合粉末由纯铜微球和cr2nb纳米粉复合构成的cu-(cr2nb)复合粉末；所述复合粉末具有类芝麻球结构，即所述cr2nb纳米粉镶嵌在所述纯铜微球表面形成类芝麻球的微复合结构；所述cr2nb纳米粉形状不规则。

2.根据权利要求1所述的一种增材制造用铜铬铌复合粉末，其特征在于：其中所述铜微球平均尺寸约100微米；所述cr2nb纳米粉的粒径小于1μm。

3.制备权利要求1或2所述的一种增材制造用铜铬铌复合粉末的方法，其特征在于，采两步球磨法制备所述铜铬铌复合粉末，所述两步球磨法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的铜铬铌复合粉末的制备方法，其特征在于，第一步中球磨机转速500～600rpm，磨球为氧化锆陶瓷球，球磨时氩气保护，球磨时间4～10h。

5.根据权利要求3所述的铜铬铌复合粉末的制备方法，其特征在于，第二步中球磨机转速100～200rpm，磨球为纯铜金属球，球磨时采用氩气保护，球磨时间1～2h。

6.根据权利要求3所述的铜铬铌复合粉末的制备方法，其特征在于，第二步中使用的球形纯铜粉经过600oc退火2h的预处理。

7.根据权利要求3所述的铜铬铌复合粉末的制备方法，其特征在于，第二步中使用的球形纯铜粉的平均粒径100微米。

8.权利要求1或2所述的一种增材制造用铜铬铌复合粉末的应用，其特征在于，所述cu-(cr2nb)复合粉末作为l-ded所用粉末原料，采用激光增材工艺制造铜铬铌合金块体。

9.权利要求8所述的一种增材制造用铜铬铌复合粉末的应用，其特征在于，所述激光增材工艺所用激光波长为1080nm，功率3800w，送粉盘转速0.5rpm。

技术总结本发明公开了一种铜铬铌复合粉末及制备方法以及在增材制造中的应用。铜铬铌复合粉末由Cu粉和Cr<subgt;2</subgt;Nb纳米粉复合而成，不规则的Cr<subgt;2</subgt;Nb纳米粉镶嵌在铜微球表面形成类芝麻球的微结构。本发明采用两步球磨法制得该复合粉末，首先通过电弧熔炼技术制备成分为Cr<subgt;2</subgt;Nb的合金铸锭，将铸锭进行机械破碎再进行高速球磨为不规则细粉，过筛留取Cr<subgt;2</subgt;Nb纳米级粉末；然后纳米级Cr<subgt;2</subgt;Nb粉与球形纯铜粉装入通过低速球磨，获得类芝麻球微结构的Cu‑(Cr<subgt;2</subgt;Nb)复合粉末。将该复合粉末作为L‑DED所用粉末原料，使用激光增材工艺制造铜铬铌合金块体，在增材制造中，本发明的铜铬铌复合粉末具有铜铬铌成分均匀、流动性高、对红外激光反射率低等优点。技术研发人员：石伟,戴子翔,刘嘉斌受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5