1.本發(fā)明涉及球形粉體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種銅合金粉末及其制備方法。

背景技術(shù)：

2.金屬材料增材制造技術(shù)一般采用激光、電子束或聚能光束等高密度能量熱源進(jìn)行選區(qū)熔化，可方便實(shí)現(xiàn)各種難熔、難加工、高活性、高性能金屬材料的快速原型制造，在航空航天、軍工、汽車、醫(yī)療等高性能復(fù)雜零部件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.金屬粉末作為金屬增材制造的關(guān)鍵原材料，其性能好與壞是金屬增材制造技術(shù)的關(guān)鍵。球形金屬粉末材料是金屬增材制造(3d打印)工藝的原材料和耗材。研究開(kāi)發(fā)出高品級(jí)的粉末材料是增材制造(3d打印)工藝的首要條件，同時(shí)也是新型合金材料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的重要工藝環(huán)節(jié)。增材制造用銅合金材料的開(kāi)發(fā)尚未成熟，同時(shí)，增材制造過(guò)程中多種成形工藝因素的影響，在金屬沉積層中易形成裂紋、氣孔、夾雜、層間結(jié)合不良、球化效應(yīng)等缺陷。銅合金材料內(nèi)部微觀組織缺陷導(dǎo)致增材制造金屬零部件的力學(xué)/物理性能劣化，這是影響增材制造技術(shù)在金屬零部件，特別是大型復(fù)雜金屬構(gòu)件制造方面應(yīng)用推廣的最主要技術(shù)瓶頸。

4.因此，開(kāi)發(fā)一種銅合金粉末，通過(guò)其3d打印成形的銅合金材料可改善內(nèi)部微觀組織、減少材料內(nèi)部缺陷，使其具有高的力學(xué)/物理性能是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種銅合金粉末，通過(guò)其3d打印成形的銅合金材料可改善內(nèi)部微觀組織、減少材料內(nèi)部缺陷，使其具有高的力學(xué)/物理性能。

6.本發(fā)明第一方面提供了一種銅合金粉末，所述銅合金粉末按質(zhì)量百分比計(jì)包括：ni含量為0.5～15.0wt％，si含量為2.0～5.0wt％、mn含量為2.0～6.0wt％，除cu外其他未列出的金屬元素總含量不超過(guò)0.5wt％，剩余為cu。

7.在本發(fā)明中，在銅合金粉末中加入ni能夠起到固溶強(qiáng)化的作用，提高合金的抗蝕性。優(yōu)選地，ni的含量按質(zhì)量百分比計(jì)可以為，0.5％、1％、3％、5％、7％、9％、11％、13％、15％。

8.在本發(fā)明中，在銅合金粉末中加入si，能夠提高合金的強(qiáng)度。優(yōu)選地，ni的含量按質(zhì)量百分比計(jì)可以為，2％、3％、4％、5％。

9.在本發(fā)明中，在銅合金粉末中加入mn，能夠提高合金的強(qiáng)度和抗腐蝕性能。優(yōu)選地，mn的含量按質(zhì)量百分比計(jì)可以為，2％、3％、4％、5％、6％。

10.進(jìn)一步地，所述銅合金粉末按質(zhì)量百分比計(jì)包括：ni含量為0.5～10.0wt％，si含量為2.0～5.0wt％、mn含量為2.0～6.0wt％，除cu外其他未列出的金屬元素總含量不超過(guò)0.5wt％，剩余為cu。

11.進(jìn)一步地，所述銅合金粉末按質(zhì)量百分比計(jì)包括：ni含量為7.0～15.0wt％，si含量為2.0～5.0wt％、mn含量為4.0～6.0wt％，除cu外其他未列出的金屬元素總含量不超過(guò)

0.5wt％，剩余為cu。

12.在本發(fā)明中，“余量的銅”是指銅合金粉末質(zhì)量為100％時(shí)，除去ni、mn、si以及任意其它雜質(zhì)后，剩余質(zhì)量為cu的質(zhì)量百分比。

13.進(jìn)一步地，所述銅合金粉末粒徑分布為15-53μm。

14.本發(fā)明第二方面提供了一種制備上述銅合金粉末的制備方法，包括以下步驟：

15.加熱銅；

16.向所述加熱后的銅中添加中間合金cu-ni、中間合金cu-si以及中間合金cu-mn繼續(xù)加熱后，澆注成銅合金棒材；

17.將合金棒材進(jìn)行霧化制成銅合金粉末。

18.進(jìn)一步地，所述加熱銅的溫度為1080～1400℃，例如可為1080℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃，優(yōu)選為1080～1200℃。

19.在本發(fā)明中，由于銅的熔點(diǎn)為1080℃，加熱溫度可以在1080-1400℃之間調(diào)整，低于該溫度不能融化銅，過(guò)高的溫度會(huì)使銅燒損嚴(yán)重，不利于成分定量。

20.進(jìn)一步地，所述繼續(xù)加熱的溫度為1200～1700℃，例如可為1200℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃、1700℃，優(yōu)選為1400～1500℃。

21.在本發(fā)明中，在銅的液體中加入中間合金，中間合金的成分不同，其熔點(diǎn)也不同，根據(jù)不同熔點(diǎn)，優(yōu)先選擇1400～1500℃，更優(yōu)選為1400℃。

22.進(jìn)一步地，所述加熱銅與所述繼續(xù)加熱過(guò)程在保護(hù)氣氛下進(jìn)行，所述保護(hù)氣氛為氬氣或二氧化碳中的至少一種。在保護(hù)氣氛下可以避免加熱過(guò)程中銅、中間合金cu-ni、中間合金cu-si以及中間合金cu-mn的氧化。

23.進(jìn)一步地，所述霧化過(guò)程在真空條件下進(jìn)行,所述真空條件采用氮?dú)饣蚨趸贾械闹辽僖环N為保護(hù)氣氛，所述霧化過(guò)程的溫度為600～1100℃，例如可為600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃，優(yōu)選為800～900℃。

24.在本發(fā)明中，所述霧化過(guò)程中以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣。所述霧化過(guò)程采用真空氣霧化裝置中進(jìn)行，霧化后可以得到球形和亞球形的銅合金粉末。

25.進(jìn)一步地，所述中間合金cu-ni、所述中間合金cu-si、所述中間合金cu-mn均分別通過(guò)銅與鎳、銅與硅、銅與錳經(jīng)熔煉澆注制得。優(yōu)選地，所述銅與鎳的質(zhì)量比為(90-75):(10-25)、銅與硅的質(zhì)量比為(90-80):(10-20)、銅與錳的質(zhì)量比為(90-80):(10-20)。

26.進(jìn)一步地，通過(guò)本法明提供銅合金粉末或本發(fā)明銅合金粉末的制備方法制備的銅合金粉末，進(jìn)行真空烘干箱中燥后使用篩分設(shè)備篩分分級(jí)為粒徑分布為15-63μm之間的粉末。然后再進(jìn)行在真空烘干箱中進(jìn)行烘干，再放入增材制造打印設(shè)備的鋪粉腔中并沖入惰性氣體將氧含量降至0.1％以下后，設(shè)計(jì)需要打印的零件模型，對(duì)三維模型進(jìn)行添加支撐、切片，3d打印設(shè)備采用優(yōu)化的成形參數(shù)對(duì)三維數(shù)字模型進(jìn)行逐層熔化凝固成形。

27.進(jìn)一步地，逐層熔化凝固成形包括但不局限于選區(qū)激光熔化(slm)工藝；其中slm工藝采用的成形參數(shù)為：激光功率300-500w，掃描速度600-3000mm/s，掃描間距0.05-0.15mm，單層層厚為0.03-0.06mm，激光光斑直徑60-80μm。

28.相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果：

29.1、本發(fā)明提供了一種銅合金粉末，通過(guò)其3d打印成形的銅合金材料可改善內(nèi)部微觀組織、減少材料內(nèi)部缺陷、提高力學(xué)/物理性能，使其具有高耐磨高耐腐蝕性能。

30.2、本發(fā)明提供的銅合金粉末的制備方法，簡(jiǎn)便高效、安全性好、易于實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展了3d打印銅合金添加元素的種類，解決了銅合金材料易開(kāi)裂，性能差的問(wèn)題，從而防止增材制造過(guò)程中金屬零部件的變形和開(kāi)裂。

附圖說(shuō)明

31.圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的slm增材制造用cu-ni-si-mn合金粉末形貌圖。

32.圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的slm增材制造用cu-ni-si-mn合金粉末sem組織圖。

33.圖3為實(shí)施例1粉末粒徑分布圖。

34.圖4為實(shí)施例2粉末粒徑分布圖。

35.圖5為實(shí)施例3粉末粒徑分布圖。

36.圖6為實(shí)施例1制備的cu-ni-si-mn合金粉末3d打印成銅合金材料的垂直建筑方向金相圖。

37.圖7為實(shí)施例1制備的cu-ni-si-mn合金粉末3d打印成銅合金材料的建筑方向圖金相圖。

38.圖8為實(shí)施例1制備的cu-ni-si-mn合金粉末3d打印成銅合金材料的垂直建筑方向sem圖。

39.圖9為實(shí)施例1制備的cu-ni-si-mn合金粉末3d打印成銅合金材料的建筑方向sem圖。

具體實(shí)施方式

40.為了使本發(fā)明所述的內(nèi)容更加便于理解，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不僅限于此。凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均涵蓋在本發(fā)明旨在保護(hù)的范圍內(nèi)。除非另有說(shuō)明，實(shí)施例中使用的原料和試劑均為市售商品。本文未記載的試劑、儀器或操作步驟均是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可常規(guī)確定的內(nèi)容。

41.實(shí)施例1

42.一種銅合金粉末(cu-1ni-3mn-3si)，按質(zhì)量百分比計(jì)包括：ni 1％、mn 3％、si 3％以及余量的銅。

43.制備方法如下：

44.s1：設(shè)計(jì)基體銅合金粉末的各成分配比并稱量各原料，其中，cu為6.5kg，中間合金cu-ni為0.5kg、中間合金cu-si為1.5kg，中間合金cu-mn為1.5kg，使用中頻真空感應(yīng)爐在氬氣氛圍保護(hù)下進(jìn)行熔煉，待溶液完全澄清后澆鑄于棒狀模具中冷卻成型成銅合金棒材；

45.s2：將澆鑄所得各銅合金棒材用車床加工，車去外表面氧化皮，金屬棒一端車平后在中心位置加工內(nèi)螺紋，另一端加工為錐形，放入真空氣霧化裝置中，在氮?dú)夥諊逻M(jìn)行制粉；

46.s3：采用實(shí)驗(yàn)篩粉機(jī)對(duì)粉末進(jìn)行篩分，選取粒徑15-53μm的粉末。

47.s4：篩粉前后在sem對(duì)粉體進(jìn)行觀察，觀察粉體的粒型和大小，并測(cè)量大小。利用激光粒度分析儀對(duì)粉末進(jìn)行粒度大小分布進(jìn)行分析，得出分布圖，如圖3至圖5所示，制備得到的銅合金粉末粒徑主要分布在15-53μm。

48.實(shí)施例2

49.一種銅合金粉末(cu-1ni-5mn-3si)，按質(zhì)量百分比計(jì)包括：ni 1％、mn 5％、si 3％以及余量的銅。其中，cu為5.5kg，中間合金cu-ni為0.5kg、中間合金cu-si為1.5kg，中間合金cu-mn為2.5kg。

50.制備方法與實(shí)施例1相同。

51.實(shí)施例3

52.一種銅合金粉末(cu-1ni-2mn-3si)，與實(shí)施例1或2的區(qū)別在于，銅合金中的mn含量為2％。其中，cu為7kg，中間合金cu-ni為0.5kg、中間合金cu-si為1.5kg，中間合金cu-mn為1kg。

53.制備方法與實(shí)施例1相同。

54.實(shí)驗(yàn)例1

55.將實(shí)施例1制備的銅合金粉末分別通過(guò)3d打印成銅合金材料。步驟如下：

56.將銅合金粉末放在真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行80度4小時(shí)烘干處理。設(shè)計(jì)方塊試樣的三維模型，并進(jìn)行分層切片。采用renam 500e增材金屬3d打印設(shè)備，預(yù)熱溫度150度，激光功率300 500w，掃描速度600 3000mm/s，掃描間距0.05 0.15mm，單層層厚為0.03 0.06mm，激光光斑直徑60-80μm的參數(shù)成形方塊試樣。

57.對(duì)打印成形的銅合金材料進(jìn)行內(nèi)部微觀組織進(jìn)行金相和sem觀察。

58.結(jié)果如圖6-9所示?？梢钥闯黾す馐鴴呙柽^(guò)的熔池凝固后形成的熔道，可以看出不同層間的熔道旋轉(zhuǎn)角為67

°

。打印成形的銅合金材料建筑方向上的金相圖，呈現(xiàn)魚(yú)鱗狀分布的熔道，熔道分布比較均勻，呈現(xiàn)良好的熔池搭接率，熔池深度可以貫穿2-3層，從而使銅合金相鄰熔池層和相鄰層之間形成良好的冶金結(jié)合。

59.實(shí)驗(yàn)例2

60.將實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3制備的銅合金粉末分別通過(guò)3d打印成銅合金材料。步驟同實(shí)驗(yàn)例1。

61.對(duì)打印成形的銅合金材料進(jìn)行力學(xué)/物理性能測(cè)試，實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3制備的銅合金粉末分別通過(guò)3d打印成銅合金材料的布氏硬度分別為79hb，88hb，89hb。

62.實(shí)驗(yàn)例3

63.將實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3制備的銅合金粉末分別通過(guò)3d打印成銅合金材料。步驟同實(shí)驗(yàn)例1。

64.對(duì)打印成形的銅合金材料進(jìn)行導(dǎo)熱性能測(cè)試，測(cè)得室溫下實(shí)施例1-3的熱導(dǎo)率分別為17w/m.k、19w/m.k、22w/m.k，600℃的熱導(dǎo)率分別為66w/m.k、70w/m.k、72w/m.k。

65.三個(gè)實(shí)施例室溫下的熱導(dǎo)率在17-22w/m.k之間，600℃的熱導(dǎo)率在66-72w/m.k之間，對(duì)于銅鎳合金此導(dǎo)熱性能良好。

66.以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。技術(shù)特征：

1.一種銅合金粉末，其特征在于，所述銅合金粉末按質(zhì)量百分比計(jì)包括：ni含量為0.5～15.0wt％，si含量為2.0～5.0wt％、mn含量為2.0～6.0wt％，除cu外其他未列出的金屬元素總含量不超過(guò)0.5wt％，剩余為cu。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅合金粉末，其特征在于，所述銅合金粉末按質(zhì)量百分比計(jì)包括：ni含量為0.5～10.0wt％，si含量為2.0～5.0wt％、mn含量為2.0～6.0wt％，除cu外其他未列出的金屬元素總含量不超過(guò)0.5wt％，剩余為cu。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅合金粉末，其特征在于，所述銅合金粉末按質(zhì)量百分比計(jì)包括：ni含量為7.0～15.0wt％，si含量為2.0～5.0wt％、mn含量為4.0～6.0wt％，除cu外其他未列出的金屬元素總含量不超過(guò)0.5wt％，剩余為cu。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的銅合金粉末，其特征在于，所述銅合金粉末粒徑分布為15-53μm。5.一種權(quán)利要求1-4所述的銅合金粉末的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：加熱銅；向所述加熱后的銅中添加中間合金cu-ni、中間合金cu-si以及中間合金cu-mn繼續(xù)加熱后，澆注成銅合金棒材；將合金棒材進(jìn)行霧化制成銅合金粉末。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述加熱銅的溫度為800～1400℃。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其特征在于，所述繼續(xù)加熱的溫度為1200～1700℃。8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其特征在于，所述加熱銅與所述繼續(xù)加熱過(guò)程在保護(hù)氣氛下進(jìn)行，所述保護(hù)氣氛為氬氣或二氧化碳中的至少一種。9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其特征在于，所述霧化過(guò)程在真空條件下進(jìn)行，所述真空條件采用氮?dú)饣蚨趸贾械闹辽僖环N為保護(hù)氣氛，所述霧化過(guò)程的溫度為600～1100℃。10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述中間合金cu-ni、所述中間合金cu-si、所述中間合金cu-mn均分別通過(guò)銅與鎳、銅與硅、銅與錳經(jīng)熔煉澆注制得。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種銅合金粉末，該所述銅合金粉末按質(zhì)量百分比計(jì)包括：Ni含量為0.5～15.0wt％，Si含量為2.0～5.0wt％、Mn含量為2.0～6.0wt％，除Cu外其他未列出的金屬元素總含量不超過(guò)0.5wt％，剩余為Cu。本發(fā)明還涉及一種制備該銅合金粉末的方法，包括以下步驟：加熱銅；向加熱后的銅中添加中間合金Cu-Ni、中間合金Cu-Si以及中間合金Cu-Mn繼續(xù)加熱后，澆注成銅合金棒材；將合金棒材進(jìn)行霧化制成銅合金粉末。通過(guò)其3D打印成形的銅合金材料可改善內(nèi)部微觀組織、減少材料內(nèi)部缺陷、提高力學(xué)/物理性能。能。能。

技術(shù)研發(fā)人員：肖紅弟

受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京三航極材精細(xì)制造技術(shù)研究院有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2022.11.18

技術(shù)公布日：2023/4/17