[发明专利]一种适用于激光增材制造的无铍高强度铜合金粉末及其制备方法

说明书

本发明公开一种适用于激光增材制造的无铍高强度铜合金粉末及其制备方法，该合金粉末包括：20‑25％Ni，5‑8％Sn，1.5‑2.2％Al，0.5‑1.0％Co，0.2‑1.0％Nb，0.05‑0.15％Ti，0.5‑1.0％V，0.002‑0.006％B，余量为Cu；采用真空感应熔炼气雾化制备，设计并控制制备工艺，最终制取15‑53μm的合金粉末。本发明的铜合金的屈服强度基本达到铜铍合金的强度水平，满足替换铜铍合金的综合性能，不含铍的铜合金降低粉末生产、使用过程中对人健康的伤害以及对环境的污染。本发明提供的制备方法，细粉收得率高，制备得到的铜合金粉末具有化学成分均匀、含氧量极低、空心球率低、流动性良好等特点，满足选区激光熔化增材制造技术对于铜合金粉末性能要求。

技术领域

本发明属于增材制造用新型金属材料技术领域，更具体地，涉及一种适用于激光增材制造的无铍高强度铜合金粉末及其制备方法。

背景技术

铜铍合金属于高强高导铜基合金，其屈服强度可以达到960MPa以上，抗拉强度更是可以达到1400MPa以上的水平；而且具有硬度高、耐磨、耐腐蚀、耐低温、散热快、无磁性、高的导电性、冲击无火花等综合性能；广泛用于航空航天衬套、轴瓦、压铸模、模具镶块等领域。但由于金属铍(Be)有毒，而此类铜合金中加有1～2wt.％Be元素，因此在加工过程和使用过程中会损害人的身体健康，并且对环境造成严重的污染；特别是在选区激光熔化(Select Laser Melting)成形工艺中使用的原材料是微米级球形金属粉末，与此同时粉末的生产制备过程更是如此。

现有的技术已经提出了一些替代铜铍合金的高强度铜合金，主要有Cu-Ni-Sn系调幅分解合金、铝青铜、铝黄铜等。现有的一种Cu-Ni-Sn系调幅分解合金的名义成分(wt.％)为9.5-10.5Ni，7.5-8.5Sn，1.0Zn，其余为Cu(C96800)；其屈服强度在680～820MPa，而其抗拉强度被限制在930MPa以内。作为铜铍合金的另一种选择是铝青铜，一种现有的铝青铜的名义成分(wt.％)为18Al，14Mn，3Fe，2Ni，其余为Cu(ZCuAl18Mn14Fe3Ni2)，其屈服强度低于420MPa。而现有的一种铝黄铜的名义成分(wt.％)为25Zn，6Al，3Fe，3Mn,其余为Cu(ZCuAl6Fe3Mn3)，其屈服强度被限制在450MPa以内。虽然这些铜合金可以部分替代铍铜合金用于一些零部件的制造，但它们的性能(强度、耐磨性等)与铍铜合金相比仍有不小差距，因此本发明致力于提供一种无铍高强度铜合金，这种合金的机械性能和摩擦学性能可与铜铍合金相媲美；此外，这些性能的获得不需要进行冷加工，使随形冷却内流道等类似复杂结构选区激光熔化(SLM)成形或大截面的部件的制造成为可能。

发明内容

本发明旨在解决上述存在的至少部分技术问题以及实现上述目的，提供一种无毒无铍高强度铜合金粉末、铜合金粉末的制备方法、铜合金零件的热处理方法以及铜合金零件的选区激光熔化成形方法。其中，本发明依据合金元素的作用机理和选区激光熔化成形机理，针对性的重新设计了无铍高强合金粉末、铜合金零件的制备技术路线和铜合金零件的热处理技术。本发明根据合金元素的作用机理和选区激光熔化成形机理，不仅可以充分利用选区激光熔化的快速冷却来细化材料的晶粒尺寸，而且可以让整个成形零件的成分更佳均匀，不存在宏观偏析。此外，在取得同等效果的情况下，无需担心在材料制备过程中金属铍对人体的伤害以及环境的污染，让其成为一种无毒、友好的环保型铜合金。

根据本发明的第一方面，提供一种无铍高强度铜合金，包括如下质量百分数的组分：20-25％Ni，5-8％Sn，1.5-2.2％Al，0.5-1.0％Co，0.2-1.0％Nb，0.05-0.15％Ti，0.5-1.0％V，0.002-0.006％B，余量为Cu和不可避免的杂质。

优选的，所述铜合金中Ni的摩尔数与Sn、Al、Co、Nb、Ti的摩尔数之和的比例近似为3:1。

优选的，所述铜合金包括如下质量百分数的组分：24％Ni，5％Sn，2％Al，1％Co，0.5％Nb，0.05％Ti，0.75％V，0.005％B，余量为Cu和不可避免的杂质。