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

背景技術：

2.金屬材料增材制造技術一般采用激光、電子束或聚能光束等高密度能量熱源進行選區(qū)熔化，可方便實現(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)療等高性能復雜零部件領域具有廣泛的應用前景。

3.金屬粉末作為金屬增材制造的關鍵原材料，其性能好與壞是金屬增材制造技術的關鍵。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。研究開發(fā)出高品級的粉末材料是增材制造(3d打印)工藝的首要條件，同時也是新型合金材料設計開發(fā)的重要工藝環(huán)節(jié)。增材制造用銅合金材料的開發(fā)尚未成熟，同時，增材制造過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、層間結合不良、球化效應等缺陷。銅合金材料內(nèi)部微觀組織缺陷導致增材制造金屬零部件的力學/物理性能劣化，這是影響增材制造技術在金屬零部件，特別是大型復雜金屬構件制造方面應用推廣的最主要技術瓶頸。

4.因此，開發(fā)一種銅合金粉末，通過其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/物理性能是本領域技術人員亟需解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種銅合金粉末，通過其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/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，能夠提高合金的強度。優(yōu)選地，ni的含量按質(zhì)量百分比計可以為，2％、3％、4％、5％。

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

10.進一步地，所述銅合金粉末按質(zhì)量百分比計包括：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0.5wt％，剩余為cu。

11.進一步地，所述銅合金粉末按質(zhì)量百分比計包括：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

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，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.將合金棒材進行霧化制成銅合金粉末。

18.進一步地，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，過高的溫度會使銅燒損嚴重，不利于成分定量。

20.進一步地，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，其熔點也不同，根據(jù)不同熔點，優(yōu)先選擇1400～1500℃，更優(yōu)選為1400℃。

22.進一步地，所述加熱銅與所述繼續(xù)加熱過程在保護氣氛下進行，所述保護氣氛為氬氣或二氧化碳中的至少一種。在保護氣氛下可以避免加熱過程中銅、中間合金cu-ni、中間合金cu-si以及中間合金cu-mn的氧化。

23.進一步地，所述霧化過程在真空條件下進行,所述真空條件采用氮氣或二氧化碳中的至少一種為保護氣氛，所述霧化過程的溫度為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，所述霧化過程中以氮氣作為保護氣。所述霧化過程采用真空氣霧化裝置中進行，霧化后可以得到球形和亞球形的銅合金粉末。

25.進一步地，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.進一步地，通過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，進行真空烘干箱中燥后使用篩分設備篩分分級為粒徑分布為15-63μm之間的粉末。然后再進行在真空烘干箱中進行烘干，再放入增材制造打印設備的鋪粉腔中并沖入惰性氣體將氧含量降至0.1％以下后，設計需要打印的零件模型，對三維模型進行添加支撐、切片，3d打印設備采用優(yōu)化的成形參數(shù)對三維數(shù)字模型進行逐層熔化凝固成形。

27.進一步地，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，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/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，簡便高效、安全性好、易于實現(xiàn)，擴展了3d打印銅合金添加元素的種類，解決了銅合金材料易開裂，性能差的問題，從而防止增材制造過程中金屬零部件的變形和開裂。

附圖說明

31.圖1為本發(fā)明實施例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為實施例1粉末粒徑分布圖。

34.圖4為實施例2粉末粒徑分布圖。

35.圖5為實施例3粉末粒徑分布圖。

36.圖6為實施例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，下面結合具體實施例對本發(fā)明所述的技術方案做進一步說明，但本發(fā)明不僅限于此。凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容所實現(xiàn)的技術均涵蓋在本發(fā)明旨在保護的范圍內(nèi)。除非另有說明，實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域普通技術人員可常規(guī)確定的內(nèi)容。

41.實施例1

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

43.制備方法如下：

44.s1：設計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，使用中頻真空感應爐在氬氣氛圍保護下進行熔煉，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，在氮氣氛圍下進行制粉；

46.s3：采用實驗篩粉機對粉末進行篩分，選取粒徑15-53μm的粉末。

47.s4：篩粉前后在sem對粉體進行觀察，觀察粉體的粒型和大小，并測量大小。利用激光粒度分析儀對粉末進行粒度大小分布進行分析，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.實施例2

49.一種銅合金粉末(cu-1ni-5mn-3si)，按質(zhì)量百分比計包括：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.制備方法與實施例1相同。

51.實施例3

52.一種銅合金粉末(cu-1ni-2mn-3si)，與實施例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.制備方法與實施例1相同。

54.實驗例1

55.將實施例1制備的銅合金粉末分別通過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)進行80度4小時烘干處理。設計方塊試樣的三維模型，并進行分層切片。采用renam 500e增材金屬3d打印設備，預熱溫度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.對打印成形的銅合金材料進行內(nèi)部微觀組織進行金相和sem觀察。

58.結果如圖6-9所示?？梢钥闯黾す馐鴴呙柽^的熔池凝固后形成的熔道，可以看出不同層間的熔道旋轉角為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合。

59.實驗例2

60.將實施例1、實施例2、實施例3制備的銅合金粉末分別通過3d打印成銅合金材料。步驟同實驗例1。

61.對打印成形的銅合金材料進行力學/物理性能測試，實施例1、實施例2、實施例3制備的銅合金粉末分別通過3d打印成銅合金材料的布氏硬度分別為79hb，88hb，89hb。

62.實驗例3

63.將實施例1、實施例2、實施例3制備的銅合金粉末分別通過3d打印成銅合金材料。步驟同實驗例1。

64.對打印成形的銅合金材料進行導熱性能測試，測得室溫下實施例1-3的熱導率分別為17w/m.k、19w/m.k、22w/m.k，600℃的熱導率分別為66w/m.k、70w/m.k、72w/m.k。

65.三個實施例室溫下的熱導率在17-22w/m.k之間，600℃的熱導率在66-72w/m.k之間，對于銅鎳合金此導熱性能良好。

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

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0.5wt％，剩余為cu。2.根據(jù)權利要求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0.5wt％，剩余為cu。3.根據(jù)權利要求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0.5wt％，剩余為cu。4.根據(jù)權利要求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；將合金棒材進行霧化制成銅合金粉末。6.根據(jù)權利要求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)加熱過程在保護氣氛下進行，所述保護氣氛為氬氣或二氧化碳中的至少一種。9.根據(jù)權利要求5或6所述的制備方法，其特征在于，所述霧化過程在真空條件下進行，所述真空條件采用氮氣或二氧化碳中的至少一種為保護氣氛，所述霧化過程的溫度為600～1100℃。10.根據(jù)權利要求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均分別通過銅與鎳、銅與硅、銅與錳經(jīng)熔煉澆注制得。

技術總結

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；將合金棒材進行霧化制成銅合金粉末。通過其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/物理性能。能。能。

技術研發(fā)人員：肖紅弟

受保護的技術使用者：北京三航極材精細制造技術研究院有限公司

技術研發(fā)日：2022.11.18

技術公布日：2023/4/17