一种适用于红光SLM打印的改性CuCr合金粉末、制备方法及应用与流程

本发明涉及增材制造用金属粉末改性，更具体地说是涉及一种适用于红光slm打印的改性cucr合金粉末、制备方法及应用。

背景技术：

1、cucr合金兼具高导热导电性能与良好的力学强度，在热管理部件、电触头、航空航天精密构件等领域具有广泛的应用前景。选区激光熔化（selective laser melting, slm）技术作为一种先进的增材制造工艺，能够快速制备复杂结构的cucr合金构件，是目前该类构件规模化生产的优选方案之一。

2、然而，cucr合金粉末在slm打印过程中面临一个核心挑战：铜及铜合金对传统近红外激光（1064nm）的本征吸收率极低。研究表明，在室温下，铜对1064nm红外激光的吸收率仅为4%-5%。尽管cr元素的添加可在一定程度上改善激光吸收率，但cucr合金粉末在常规1064nm红光光纤激光作用下仍存在本征反射率高、激光吸收率不足的核心问题。这一物理限制导致红光slm打印过程面临诸多技术瓶颈：

3、第一，红光激光能量利用率极低。由于cucr合金粉末对红光激光的吸收率不足，粉末难以被充分熔化，打印过程中易出现未熔合、孔隙、球化等缺陷，最终导致成形件的致密度和力学性能无法达到使用要求。这严重限制了cucr合金在红光slm打印领域的应用。

4、第二，未被吸收的高反射激光易反向反射至光路系统，损伤激光发射器、透镜等核心器件，降低设备运行的稳定性，缩短设备使用寿命，增加生产维护成本。

5、第三，现有技术中为克服cucr合金激光吸收率不足的问题，多依赖高功率红光激光设备或专用的绿光/蓝光slm设备。铜对绿光（515-532nm）的吸收率可跃升至40%左右，但绿光/蓝光slm设备购置成本高昂，且工艺兼容性差，难以适配目前工业领域广泛使用的通用红光slm装备，不利于规模化推广。

6、第四，现有cucr合金粉末改性手段主要包括表面包覆或合金化改性等。其中，表面包覆改性存在改性层与粉末基体结合力弱、打印过程中易脱落的问题；合金化改性则易造成成分不均。此外，通过机械混合纳米碳粉等方式进行改性，虽然可在一定程度上提高激光吸收率，但存在改性均匀性差、工艺复杂等问题。

7、因此，开发一种能够有效提升cucr合金粉末对红光激光吸收率、同时保持粉末基体性能、工艺简单且成本可控的改性方法，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种适用于红光slm打印的改性cucr合金粉末的制备方法。通过对cucr合金粉末进行渗氮表面改性处理，在粉末表层原位生成crn/cr2n等高激光吸收性能的氮化物层，显著提升其对红光激光的吸收率，从而实现通用红光slm设备对cucr合金的稳定打印，同时通过调控渗氮工艺参数，实现激光吸收率的分级可控。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一目的在于提供：一种适用于红光slm打印的改性cucr合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）原料准备：提供cucr合金粉末，所述cucr合金粉末中cr含量为0.3-1.0wt%；

5、（2）前处理：将所述cucr合金粉末进行真空烘干处理，去除粉末表面吸附的水分和油污；避免水分、油污在渗氮过程中影响渗氮效果和粉末性能；

6、（3）渗氮处理：将经前处理的cucr合金粉末置于渗氮炉中，在渗氮气氛下于450-650℃保温1-4h进行渗氮处理，使氮原子与cucr合金粉末表层的cr元素原位反应生成crn和/或cr2n氮化物层；在450-650℃范围内，同等渗氮时间条件下，温度越高，氮原子在 cucr粉末中的扩散速度越快，渗氮层厚度越厚，激光吸收率提升幅度越大；温度低于450℃，则氮扩散动力学不足，渗氮效果不明显；温度高于650℃，则会导致粉末颗粒粘连、粉末原有物理性能劣化。

7、在1-8h范围内，固定气氛与温度条件下，渗氮时间越长，氮原子与 cr 元素反应越充分，渗氮层致密度越高，激光吸收率提升幅度越大。时间过短则渗氮反应不充分，难以形成连续致密氮化物层；时间过长会增加生产成本，同时易引发粉末团聚、性能下降。

8、（4）冷却：渗氮完成后，将粉末随炉缓冷至温度≤70℃后出炉，避免急冷导致粉末产生内应力、出现开裂等缺陷，保证粉末的流动性和成形性能；

9、（5）后处理：对冷却后的粉末进行真空筛分处理，去除粘连的粉末颗粒，保证粉末粒径均匀；同时进行真空除气处理，进一步去除粉末内部残留的气体，确保粉末的流动性和氧含量稳定，满足红光slm打印的送铺粉要求，得到改性cucr合金粉末。

10、作为优选的技术方案，步骤（1）中所述cucr合金粉末的粒径范围为15-53μm，该粒径范围适配红光slm打印的送粉、铺粉要求，且能保证渗氮均匀性。

11、作为优选的技术方案，步骤（2）中所述真空烘干处理的工艺条件为：温度120℃，时间1-3h。

12、作为优选的技术方案，步骤（3）中所述渗氮气氛选自以下一种或两种的组合：

13、气氛一：高纯氮气，纯度≥99.999%；该气氛氮势温和，活性氮原子供给速率低，主要用于制备浅渗氮层，适用于对激光吸收率提升幅度要求较低的工况；

14、气氛二：氨气在线分解气氛，氨气分解反应式为2nh3⇌ n2+ 3h2；该气氛氮势更高，可提供大量活性氮原子，促进氮原子快速向 cucr 粉末表层扩散，主要用于制备中等厚度渗氮层、厚渗氮层，适用于对激光吸收率提升幅度要求较高的工况。

15、作为优选的技术方案，步骤（3）中所述渗氮处理的工况如下：

16、（a）浅渗工况：控制渗氮温度450-500℃，渗氮时间1-2h，采用高纯氮气单气氛渗氮，形成0.1-0.5μm的浅渗氮层；cucr合金粉末的红光激光吸收率提升20%-40%，适用于薄壁精细结构件的打印，可避免激光能量过高导致的构件变形；

17、（b）中渗工况：控制渗氮温度500-580℃，渗氮时间1-3h，采用氨气在线分解气氛单气氛或高纯氮气与氨气在线分解气氛双气氛复合渗氮，形成0.5-1.5μm的中等厚度渗氮层；激光吸收率提升40%-70%，适用于通用结构件的打印，兼顾成形效率和构件性能；

18、（c）深渗工况：渗氮温度580-650℃，渗氮时间1-4h，采用氨气在线分解气氛单气氛或高纯氮气与氨气在线分解气氛双气氛复合渗氮，形成＞1.5μm的厚渗氮层，激光吸收率提升70%-180%；适用于厚大截面、高致密度要求的构件打印，确保粉末充分熔化，减少打印缺陷。

19、作为优选的技术方案，步骤（b）中所述高纯氮气与氨气在线分解气氛双气氛复合渗氮时氨气：氮气=1:5 ~ 1:7。

20、作为优选的技术方案，步骤（c）中所述高纯氮气与氨气在线分解气氛双气氛复合渗氮时氨气：氮气=1:3 ~ 1:5。

21、作为优选的技术方案，步骤（3）中所述渗氮处理过程中炉内压力控制在0.02-0.05mpa。

22、本发明的再一目的在于提供：上述的制备方法制备得到的适用于红光slm打印的改性cucr合金粉末。

23、本发明的再一目的在于提供：上述的适用于红光slm打印的改性cucr合金粉末的应用，所述应用为以下任一方向：

24、（a）用于薄壁精细结构件的红光slm打印；

25、（b）用于通用结构件的红光slm打印；

26、（c）用于厚大截面高致密度构件的红光slm打印；

27、（d）用于热管理部件、电触头或航空航天精密构件的红光slm打印。

28、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的核心优点在于解决了cucr合金红光slm打印中激光吸收率不足的技术瓶颈，同时实现了工艺可控、成本可控，具体优点如下：

29、（1）红光适配性强，降低设备成本：无需更换高功率红光激光设备或专用绿蓝光slm设备，可直接适配目前工业领域广泛使用的通用红光slm装备，设备购置和维护成本降低，易于规模化推广；

30、（2）激光吸收率可控可调：通过双渗氮气氛切换和渗氮温时梯度调控，实现20%-180%的激光吸收率分级提升，可精准匹配薄壁精细件、通用结构件、厚大高致密度件等不同类型构件的打印工艺窗口，提升成形质量；

31、（3）改性层结合牢固，性能稳定：渗氮过程中，氮原子与cucr粉末中的cr元素原位反应生成crn/cr2n氮化物层，与粉末基体形成牢固的冶金结合，打印过程中不会出现改性层脱落、成分偏析等问题，保证成形件性能稳定；

32、（4）基体性能保留优异：仅对cucr合金粉末进行表层渗氮改性，不改变粉末基体的化学成分和微观结构，能够有效保留cucr合金本身的高导热、高导电性能，成形件致密度可达98.5%以上，力学性能完全满足使用要求；

33、（5）工艺简单，可量产性强：整个改性工艺基于常规气体渗氮炉即可实现，流程简单、操作便捷，且批次处理量大，无需复杂的专用设备，生产成本低，适合工业化大规模生产。