一种提高Cu-Cr-Nb合金强度和电导率的方法技术

本发明专利技术提供一种提高Cu

【技术实现步骤摘要】
一种提高Cu-Cr-Nb合金强度和电导率的方法


[0001]本专利技术提供一种提高Cu-Cr-Nb合金强度和电导率的方法，属于增材制造及 铜合金领域。

技术介绍

[0002]铜合金的强度和导电率相互制约，如何同时提高其强度和导电率一直以来是 困扰人们的问题。Cu-Cr-Nb合金具有良好的强度、蠕变性能、高导热、低周疲 劳性能和高温稳定性，是航空航天及核能领域重要的结构功能材料。近年来，为 进一步提高其综合性能，开展了广泛研究。Guo等(XiaoliGuo,et al.Microstructureand properties of Cu-Cr-Nb alloy with high strength,high electrical conductivity andgood softening resistance performance at elevated temperature.Materials Scienceand Engineering:A.2019.749:281-290.)采用真空熔炼制备Cu-0.47Cr-0.16Nb (wt％，下同)合金，经过固溶处理、冷轧和时效处理，抗拉强度及导电率分别达 到453MPa和89.1％IACS。Shukla等(AKShukla,etal.Effect of powder milling onmechanical properties of hot-pressed and hot-rolled Cu
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Cr
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Nb alloy.JournalofAlloysand Compounds,2013,580:427-434.)对Cu-6.5Cr-5.8Nb粉末先进行球磨，然后对 球磨粉末进行热压成形、热轧及退火处理，所制备的合金抗拉强度为510MPa， 导电率为72.5％IACS。中国专利CN107586977A公开了一种高强高导铜合金棒 材的制备方法：将Cu-Nb中间合金、Cr粒和Cu块放置在坩埚中，在有氩气保 护的感应熔炼炉中进行熔炼，得到Cu-Cr-Nb合金液；将Cu-Cr-Nb合金液在细直 径石墨模具中浇注、冷却，得到Cu-Cr-Nb合金棒材；将棒材放入热处理炉中进 行固溶、时效热处理，经机械加工，得到Cu-Cr-Nb合金棒材成品。该专利没有 公开所制备成品的性能数据。以上研究表明，如何同步提升Cu-Cr-Nb合金的导 电性和强度的问题一直以来未得到有效解决。
[0003]针对以上问题，本专利提出采用氩气雾化制备球形度高、卫星粉少的Cu-Cr-Nb合金粉末，在含3％(体积分数)氢气的保护性还原气氛中进行选区激 光熔融(SLM)成形，有效降低了所制备合金的氧含量，提升了合金导电性能； 最后对成形件进行双级、梯度时效处理，得到高强度、高塑性和高导电率的 Cu-Cr-Nb合金。一级时效形成大量弥散分布细小的形核质点；二级时效分梯度 进行，细化析出相尺寸，降低合金元素在铜基体中的固溶量，使合金的力学性能 和导电率得到同步提高。

技术实现思路

[0004]针对铜合金强度和导电率相互制约、难以实现强度和导电率同步提升的问题， 本专利技术公开一种提高Cu-Cr-Nb合金强度和电导率的方法，采用氩气雾化制备球 形度高、卫星粉少的Cu-Cr-Nb合金粉末，在氢气含量1-3％、氩气含量≥97％(体 积分数，下同)的保护性还原气氛中进行SLM成形，有效降低了合金的氧含量， 提升了合金导电性能；最后对成形件进行特殊气氛的双级、梯度时效处理，得到 高强度、高塑性和高导电率的Cu-Cr-Nb合金。一
级时效形成大量弥散分布细小 的形核质点，二级时效分梯度进行，细化析出相尺寸，降低合金元素在铜基体中 的固溶量，使合金的力学性能和导电率得到同步提高。所制备的Cu-Cr-Nb合金 具有优异的综合性能，室温抗拉强度不低于623MPa，显微硬度不低于217HV， 伸长率不低于27％，导电率达到84％IACS，700℃抗拉强度不低于140MPa，具 有重要的应用价值。
[0005]本专利技术一种提高Cu-Cr-Nb合金强度和电导率的方法，按照以下步骤实施：
[0006](1)氩气雾化制备Cu-Cr-Nb合金粉末
[0007]将电解纯铜、Cr-Nb中间合金装入真空雾化装置的感应熔炼炉进行熔炼；当 金属完全熔化并合金化之后，在1560-1600℃进行真空脱气10-15min，随后利用 高纯氩气(纯度为99.99wt％)进行雾化；最后，利用氮气风选筛粉和超声震动 筛分，筛选出所需的Cu-Cr-Nb合金粉末，干燥，在还原气氛中封装，所述合金 粉末Cr的质量百分比为0.5-7.0％、Nb的质量百分比为0.1-7.0％、余量为铜；
[0008](2)激光增材制造前准备
[0009]根据所需零件的形状，利用软件设计零件的三维模型，然后将三维模型导入 激光增材制造设备，软件自行切片处理后，将工艺参数导入激光增材制造系统；
[0010](3)通过SLM进行增材制造
[0011]首先铺设Cu-Cr-Nb合金粉末，然后根据步骤二的切片层信息，对铺设的粉 床进行激光选择熔化，扫描方式包括轮廓扫描和实体扫描，每一层扫描时，先进 行轮廓扫描，再进行实体扫描，实体扫描采用蛇形扫描策略，之后再一次轮廓扫 描；上述步骤为铺粉和激光熔化过程；
[0012]重复上述步骤，直到整个零件打印完成；之后将成形的零件从基板上分离， 得到成形件；
[0013](4)双级时效热处理
[0014]将成形件在氢气含量1-3％(体积分数，下同)、氩气含量≥97％的混合气体 气氛中进行双级时效处理，一级时效温度为150℃-200℃，时间为0.5h-3h；二级 时效分梯度进行，第一梯度温度为260℃-400℃，保温10-60min，然后随炉升温 至第二梯度450-560℃，保温0.5-3h，得高强度、高塑性和高导电率的Cu-Cr-Nb 合金。本专利技术一种提高Cu-Cr-Nb合金强度和电导率的方法，熔炼制备的合金熔 体以3.5-4kg/min的流速经过导流管导入紧耦合气雾化炉中，控制雾化温度为 1600-1900℃、制粉炉压为0.22-0.23bar、雾化介质压力为3.5-5.5MPa，风选筛 粉获得Cu-Cr-Nb合金粉末的粒径为15-67μm，且D10为15-25μm、D50为27-33μm、 D90为40-55μm；
[0015]本专利技术一种提高Cu-Cr-Nb合金强度和电导率的方法，选用的金属粉末烘干 温度为80-100℃，烘干时间为1-2h，且在真空气氛中进行。
[0016]本专利技术一种提高Cu-Cr-Nb合金强度和电导率的方法，合金粉末封装：先抽 真空，然后充入氢气含量1-3％、氩气含量≥97％的还原性保护气体，封装。
[0017]本专利技术一种提高Cu-Cr-Nb合金强度和电导率的方法，SLM轮廓扫描参数为： 激光光斑直径为0.08-0.1mm，激光功率为100W-150W，扫描速度为 1000-1400mm/s；实体扫描的激光功率为33本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高Cu-Cr-Nb合金强度和电导率的方法，其特征在于，按照以下步骤实施：(1)氩气雾化制备Cu-Cr-Nb合金粉末将电解纯铜、Cr-Nb中间合金装入真空雾化装置的感应熔炼炉进行合金熔炼；当金属完全熔化后，在1560-1600℃进行真空脱气10-15min，随后在雾化炉中利用高纯氩气进行雾化；最后，利用氮气低温风选筛粉和超声震动筛分，筛选出所需的Cu-Cr-Nb合金粉末，干燥，在还原气氛中封装，所述合金粉末中Cr的质量百分比为0.5-7％，Nb的质量百分比为0.1-7％、余量为铜；(2)激光增材制造前准备根据所需零件的形状，利用设计软件设计零件的三维模型，然后将三维模型导入激光增材制造设备，软件自行切片处理后，将工艺参数导入激光增材制造系统；(3)通过SLM进行增材制造首先铺设Cu-Cr-Nb合金粉末，然后根据步骤二的切片层信息，对铺设的粉床进行激光选择熔化，扫描方式包括轮廓扫描和实体扫描，每一层扫描时，先进行轮廓扫描再进行实体扫描，实体扫描采用蛇形扫描策略，之后再一次轮廓扫描；上述步骤为铺粉和激光熔化过程；重复上述步骤，直到整个零件打印完成，之后将成形的零件从基板上分离，得到成形件；(4)双级时效热处理将成形件在氢气含量1-3％、氩气含量≥97％的混合气体气氛中进行双级时效处理，一级时效温度为150℃-200℃，时间为0.5h-3h，二级时效分梯度进行，第一梯度温度为260℃-400℃，保温10-60min，随炉升温至第二梯度450-560℃，保温0.5-3h，得高强度、高塑性和高导电率的Cu-Cr-Nb合金。2.根据权利要求1所述一种提高Cu-Cr-Nb合金力学性能和导电率的方法，其特征在于：步骤(1)中熔炼制备的合金熔体以3.5-4kg/min的流速经过导流管导入紧耦合气雾化炉中，控制雾化温度为1600-1900℃、制粉炉压为0.22-0.23bar、雾化介质压力为3.5-5.5MPa，筛粉获得Cu-Cr-Nb合金粉末的粒径为15-67μm，且D10为15-25μm、D50为27-33μm、D90为40-55μm。3.根据权利要求1所述一种提高Cu-Cr-Nb合金力学性能和导电率的方法，其特征在于：选用的金属粉末烘干温度为80-100℃，烘干时间为1-2h，且在真空气氛中进行；合金粉末封装：先抽真空，然后充入氢气含量1-3％、氩气含量≥97％的还原性保护气体，封装。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘祖铭，任亚科，吕学谦，魏冰，周旭，农必重，卢思哲，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：