一种用于结晶器基板修复层高强度高导热铜合金及其制备方法

本发明属于铜合金材料领域，涉及一种高导热、高强度的铜合金修复层材料及其制备方法。

背景技术：

0、技术背景

1、高强高导铜合金具有良好的力学和物理性能，被广泛应用于电力、电子、机械等工业领域。结晶器是连铸机中重要的部件，其基板通常采用铜铬合金和铜铬锆合金材料。结晶器铜板中上部长期受高温钢液冲刷，而其背部受30～40℃的水冷作用。结晶器铜板承受高温氧化、冷热疲劳产生热裂纹和应力变形的风险。在结晶器下口区域及附近，铜板则在反复拉坯过程中受到剧烈的高温摩擦磨损破坏。因此，需要对结晶器基板进行修复。结晶器修复层需要具有良好的导热性能、优异的耐磨性、耐蚀性和抗热震性能。并且在修复及后续处理过程中不会造成结晶器基板发生变形而发生形状改变。

2、通常，制备铜合金的主流方法是熔炼铸造、选区激光熔化、电子束熔化等。但这些方法温度较高，热应力会造成结晶器基板发生形状改变。并且，金属熔化虽然可保证层间金属的良好结合，但快速凝固和高温也带来了新的问题，如热应力引起的开裂、变形，元素偏析，晶粒粗化，发生相变、氧化等。

3、冷喷涂技术被认为是可以制备高反射率、氧化敏感或相变敏感材料的一种固态增材技术，由于温度低且不发生熔化，可以最大限度减少氧化和其它与凝固相关的问题。冷喷涂沉积效率高、原料可重复利用性好，对环境友好等优点，调控工艺参数可获得无相变、无氧化、无热变形的cucrzr合金，在连铸机板坯结晶器基板修复中很有工业应用场景。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种用于结晶器基板修复层高强度高导热铜合金及其制备方法。该发明采用cu、cr、zr为原料，通过雾化制粉和冷喷涂工艺制备合金粉末后，结合时效处理获得高强度和高热导率的合金，满足结晶器基板修复层的性能要求。

2、为达以上目的，本发明提供的技术方案为：

3、所述铜合金的元素质量百分比为：cu 98.84～99.35％，cr 0.53～0.85％，zr0.12～0.31％。按照元素质量配比要求，称量原料后，进行气雾化制粉。所得粉末干燥筛分后，采用冷喷涂工艺获得铜合金修复层坯体；该坯体呈现为扁平化的粉末颗粒层状堆积的形貌；其中一部分颗粒内部中清晰可见的近似等轴粗晶，这些部位发生塑性变形，或者塑性变形很小；而另一些颗粒边界的晶粒呈现细长形貌，这些组织发生了严重的塑性变形；修复层坯体的相对密度达到98.7％以上，粉末颗粒的平均扁平化率小于0.458；再进行时效处理，时效处理过程中具有大变形的颗粒边界优先发生再结晶，使得原始颗粒界面形成冶金结合，时效后修复层的相对密度保持在98.5％以上，强度和热导率大幅度提升。

4、所述冷喷涂工艺条件为：气体预热温度为540～560℃，气体压力为3.2～3.5mpa，送粉速率为220～250slm，喷枪移动速度为60～63mm/s。所述时效处理条件为：590～620℃下保温1～2h，随后炉冷至室温。经过冷喷涂和时效处理后，所得cucrzr合金的基体为fcc结构，晶内有球状和棒状的cr纳米析出相和球状的富zr析出相，这些弥散分布的析出相起到了强化作用，所获修复层的强度高于430mpa，热导率高于310w/(m·k)。

5、具有一种用于结晶器基板修复层高强度高导热铜合金的制备方法包括以下步骤：

6、(1)原料准备：按照所需要的比例准备cu、cr、zr原料，也可以使用已知成分的cucr、cuzr中间合金。

7、(2)气体雾化制粉：原料称量之后，进行气雾化制粉，获得球形固溶态合金粉。随后进行气流分级，筛分出粒径范围为-400/+800目的球形粉，其平均粒径为22～25μm。

8、(3)冷喷涂：将筛分后的粉末采用冷喷涂系统制备块体。冷喷涂气体预热温度为540～560℃，气体压力为3.2～3.5mpa，送粉速率为220～250slm，喷枪移动速度为60～63mm/s。将粉末沉积在被修复的基板上，经冷喷涂后获得冷喷涂铜合金修复层坯体。该坯体呈现为扁平化的粉末颗粒层状堆积的形貌；其中一部分颗粒内部中清晰可见的近似等轴粗晶，这些部位发生塑性变形，或者塑性变形很小；而另一些颗粒边界的晶粒呈现细长形貌，这些组织发生了严重的塑性变形；修复层坯体的相对密度达到98.7％，粉末颗粒的平均扁平化率小于0.458；抗拉强度为170-190mpa，热导率为140-160w/(m·k)。

9、(4)时效处理：将冷喷涂铜合金修复层坯体在保护气氛下加热到590～620℃，保温1～2h，随后随炉冷却至室温，获得时效处理后的铜合金修复层。时效处理过程中具有大变形的颗粒边界优先发生再结晶，使得原始颗粒界面形成冶金结合，时效后修复层的相对密度保持在98.5％以上，强度和热导率大幅度提升；抗拉强度高于430mpa，热导率高于310w/(m·k)。

10、经过上述冷喷涂和时效处理后，所获得的cucrzr合金的基体为fcc结构，晶内有fcc结构的cr纳米相和富zr的纳米合金相弥散析出。这种结构使得合金具有高强度的同时，仍具有优异的热导率。

技术特征：

1.一种用于结晶器基板修复层高强度高导热铜合金，其特征在于：所述铜合金的元素质量百分比为：cu 98.84～99.35％，cr 0.53～0.85％，zr 0.12～0.31％；按照元素质量配比要求，称量原料后，进行气雾化制粉；所得粉末干燥筛分后，采用冷喷涂工艺获得铜合金修复层坯体；该坯体呈现为扁平化的粉末颗粒层状堆积的形貌；其中一部分颗粒内部中清晰可见的近似等轴粗晶，这些部位发生塑性变形，或者塑性变形很小；而另一些颗粒边界的晶粒呈现细长形貌，这些组织发生了严重的塑性变形；修复层坯体的相对密度达到98.7％以上，粉末颗粒的平均扁平化率小于0.458；再进行时效处理，时效处理过程中具有大变形的颗粒边界优先发生再结晶，使得原始颗粒界面形成冶金结合，时效后修复层的相对密度保持在98.5％以上，强度和热导率大幅度提升。

2.如权利要求1所述的一种用于结晶器基板修复层高强度高导热铜合金，其特征在于：所述冷喷涂工艺的条件，其气体预热温度为540～560℃，气体压力为3.2～3.5mpa，送粉速率为220～250slm，喷枪移动速度为60～63mm/s。

3.如权利要求1所述的一种用于结晶器基板修复层高强度高导热铜合金，其特征在于：所述时效处理的条件，其时效温度为590～620℃，保温1～2h，随后炉冷至室温；经过冷喷涂和时效处理后，所得修复层高强度高导热铜合金的基体为fcc结构，晶内有球状和棒状的cr纳米析出相和球状的富zr析出相，这些弥散分布的析出相起到了强化作用，所获修复层的强度高于430mpa，热导率高于310w/(m·k)。

4.如权利要求1所述的一种用于结晶器基板修复层高强度高导热铜合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤

技术总结本发明书涉及一种用于结晶器基板修复层高强度高导热铜合金及其制备方法，可用于连铸机结晶器的修复。采用质量百分比为：Cu 98.84～99.35％，Cr0.53～0.85％，Zr 0.12～0.31％的气雾化粉末，经冷喷涂工艺获得具有扁平化的粉末颗粒层状堆积形貌的铜合金修复层坯体；坯体中一部分颗粒组织发生了严重的塑性变形；相对密度达到98.7％以上，粉末颗粒的平均扁平化率小于0.458；再进行时效处理，时效处理过程中具有大变形的颗粒边界优先发生再结晶，使得原始颗粒界面形成冶金结合，时效后修复层的相对密度高于98.5％，强度和热导率大幅度提升。经590～620℃，1～2h时效处理后修复层的强度高于430MPa，热导率高于310W/(m·K)。技术研发人员：罗丰华,何嘉怡,卢静,彭元东,宋练鹏,李彬周受保护的技术使用者：中南大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10