一种用于激光增材制造的铜铬铌复合粉末及制备方法

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铜铬铌粉末制备方法。

背景技术：

1、美国国家航空航天局目前正在充分利用增材制造技术来制造火箭的推进系统，以缩短测试时间和设计-失败-修复周期的迭代。增材制造的其它优势已经在火箭上得到了验证，包括总成本和时间的大幅缩减，零部件的集成一体化制造，能够成型复杂的几何形状，以及使用增材制造小熔池、高冷速带来的合金性能的提高。激光定向能量沉积(l-ded)是一种常用的金属增材制造技术，具有成型速度快，制造自由度大，加工精度高等特点。与传统制造工艺相比，应用l-ded工艺成形少量复杂结构器件，能够提高材料利用率、缩短制造周期，更适用于航空航天领域。

2、铜铬铌合金由于其优异的高温力学性能和传导性，被广泛应用于液体火箭发动机和热核反应堆等高温服役环境。针对火箭发动机燃烧室，采用激光增材制造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。然而在使用铜铬铌合金粉激光增材制造铜铬铌内壁时存在1.合金粉制备困难、昂贵难以获取；2.铬铌在铜中固溶度低，合金含量难以提高；3.铜铬铌粉末成分不均匀、合金粉调整成分需重新熔炼制粉，代价大；4.对红外激光反射率高导致能量吸收率低等多个难题，严重限制了该技术进展。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种原料容易获得、成分均匀且可调、流动性高、对红外激光反射率低的铜铬铌粉末制备方法。

2、本发明提供的技术方案如下。

3、本发明使用纯铜、纯铬、纯铌单质粉末制备铜铬铌粉末，包括以下步骤：

4、1)准备单质粉末：根据所需要的铜铬铌合金的总重量和成分，计算分别称取纯铜、纯铬、纯铌单质粉末。其中，纯铜粉末粒径范围为180～200μm，形状为球形；纯铬粉末的粒径范围为5-20μm，形状为机械破碎的不规则形状；纯铌粉末的粒径范围为5-20μm，形状为机械破碎的不规则形状。将纯铜粉于还原气氛下500℃退火4h，将纯铬、纯铌粉末在真空干燥箱中100℃干燥2h。

5、2)混合球磨：在氩气保护的条件下，将纯铜、纯铬、纯铌粉末放入球磨罐混合，在行星球磨机中低速球磨，所用球磨球为数量比1:1:1的3mm、6mm、10mm直径铜球，球料重量比为4:1或6:1，球磨转速区间为100-300rpm，球磨时间为2-4h。通过低速球磨，得到铜铬铌混合粉末。该粉末为铜粉表面镶嵌有铬、铌粉末，具有类芝麻球形状的特殊结构。

6、3)最后，将混合粉末过筛得到合适粒径的铜铬铌粉末。

7、使用上述制得的铜铬铌粉末为增材制造的原料，送入l-ded设备，实现铜铬铌合金的增材制造。

8、本发明为了克服铜粉对红外激光高反射的难题，设计了将形状不规则的铬、铌微粉镶嵌在铜球表面形成类芝麻球形状的特殊结构。一方面，利用表面镶嵌的铬、铌微米粉减小铜粉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。为实现该类芝麻球结构，本发明特意设计了以粒径范围为180～200μm的球形铜粉、粒径范围为5-20μm形状不规则的铬、铌粉为原料，通过粗的球形粉与细的不规则粉有机搭配，以实现不规则微粉镶嵌于球形粉表面。进一步的，为了保证镶嵌效果，本发明要求纯铜粉在500℃退火4h，使其充分退火软化便于铬、铌不规则微粉镶嵌入铜球表面。为避免球形粉严重变形扁平化，本发明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、铜粉退火、低速球磨等技术手段的配合，获得高质量铜铬铌复合粉末，为铜铬铌合金的增材制造实现了原料易获得、成分均匀可调、流动性高、对红外激光反射率低的发明目的。

9、本发明具有的有益效果：

10、1.本发明使用的铜、铬、铌粉末均为单质粉末，便于获得；铬、铌粉末为机械破碎的不规则形态，粉末要求低，容易制取，价格相对低廉。

11、2.本发明在球磨过程中不添加助剂，具有氩气保护氛围且磨球为铜质，避免引入其他杂质。

12、3.在金属铜球的冲击作用下，铬、铌粉末镶嵌在铜粉表面，形成具有类芝麻球形状的特殊结构，这种独特的结构能够提高铜、铬、铌粉末的致密度和均匀性，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。

13、4.在行星球磨机低转速下，铬、铌粉末镶嵌进铜粉表面的现象明显，冷焊现象几乎没有发生，粉末流动性没有出现明显降低，仍然保持较高球形度，克服了高转速、高能量球磨中的颗粒扁平化、碎裂等问题。

技术特征：

1.一种用于激光增材制造的铜铬铌复合粉末，其特征在于：所述铜铬铌复合粉末由铜、铬、铌三种成分复合而成，铜成分是由微球形的铜单质粉末构成，铬成分及铌成分分别由不规则形状的铬单质粉末和铌单质粉末构成；所述铜铬铌复合粉末具有类芝麻球微结构，即：不规则形状的铬单质粉末和铌单质粉末镶嵌在铜微球表面形成所述类芝麻球微结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光增材制造的铜铬铌复合粉末，其特征在于：所述铜微球直径180～200μm；所述不规则形状的铬单质粉末和铌单质粉末的粒径范围为5-20μm。

3.制备根据权利要求1或2所述的一种用于激光增材制造的铜铬铌复合粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种铜铬铌复合粉末的制备方法，其特征在于：步骤1)中纯铜粉末于还原气氛下退火处理温度500℃，退火时间4h。

5.根据权利要求3所述的一种铜铬铌复合粉末的制备方法，其特征在于：步骤1)中将纯铬、纯铌粉末真空干燥指在真空干燥箱中100℃干燥2h。

6.根据权利要求3所述的一种铜铬铌复合粉末的制备方法，其特征在于：步骤2)中球磨所用磨球为的直径3mm、6mm、10mm铜球、三者数量比1:1:1。

7.根据权利要求3所述的一种铜铬铌复合粉末的制备方法，其特征在于：步骤2)中球磨的球料重量比为4:1或6:1，所述球料重量比指磨球重量和磨料总重量的比例，即磨球的重量与纯铜粉末、纯铬粉末和纯铌粉末的总重量之比。

8.根据权利要求1或2的一种铜铬铌复合粉末的应用，其特征在于，以所述铜铬铌复合粉末为原料，通过送粉形式、激光增材制造方法，制备铜铬铌合金。

技术总结本发明公开了一种用于激光增材制造的铜铬铌粉末的制备方法，包括步骤1)准备单质粉末，选择形状为球形、粒径范围为180～200μm的纯铜粉末；粒径范围为5‑20μm、形状不规则的纯铬、纯铌粉末。将纯铜粉于还原气氛下退火，将纯铬、纯铌粉末在真空干燥；2)在氩气保护的条件下，将纯铜、纯铬、纯铌粉末放入球磨罐混合，在行星球磨机中低速球磨，得到所述铜铬铌粉末。制得的铜铬铌粉末为球形铜粉表面镶嵌有不规则的铬和铌粉末，具有类芝麻球的特殊微结构。该结构的铜铬铌粉末用于激光增材制造具有好的流动性以及对红外激光低的反射率，激光增材制造制得的铜铬铌合金缺陷少、力学电学性能好。技术研发人员：戴子翔,包国欢,高铭余,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