一种氧化钇弥散强化铜铬铌合金及其制备方法

本发明涉及航天器用的极端热应用材料制备，尤其涉及一种氧化钇弥散强化铜铬铌合金及其制备方法。

背景技术：

1、随着航空航天技术的飞速发展，新一代液体火箭发动机不断向高推重比、高燃烧室压力方向演进，对燃烧室及尾喷管内衬材料的耐高温性能、热导率及低周疲劳寿命提出了极为严苛的要求。传统沉淀强化型铜合金如cu-cr、cu-zr、cu-cr-zr等虽具备优异的室温导热性，但在450℃以上高温环境下，其纳米级沉淀强化相易发生粗化与重熔，导致高温强度急剧衰减，无法满足高性能发动机长时稳定服役的需求。同时，为进一步提升冷却效率，发动机内衬与尾喷管的冷却通道结构日益精细复杂，传统熔炼、烧结等制备工艺难以实现复杂薄壁结构的高精度成形，制约了发动机性能的进一步提升。

2、目前高性能铜合金的研究多集中于粉末冶金领域，将其与激光选区熔化成形技术结合的研究仍较为匮乏。其核心瓶颈在于传统机械合金化制备的复合粉末多呈不规则片状，流动性与铺展性差，无法满足slm工艺的粉末要求。虽有研究尝试采用等离子球化技术改善粉末形貌，但球化过程中氧化物分布难以精确调控、cr2nb相易聚集长大，且后续打印与热处理参数的匹配优化尚未形成系统方案，难以制备出全致密、综合性能优异的复杂结构部件。

技术实现思路

1、为解决铜合金粉末3d打印适配性差、氧化物分布不均、析出相易聚集长大、3d打印件缺陷多及高温性能不足等技术问题，本发明提供一种氧化钇弥散强化铜铬铌合金及其制备方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种氧化钇弥散强化铜铬铌合金粉末，由如下质量百分比成分组成：cr3.5%~4.5%，nb1.8%~2.2%，y2o3 0.05%~0.5%，余量为cu及不可避免的杂质。

4、进一步的，所述粉末的粒径分布为d10=15~25μm，d50=35~45μm，d90=55~65μm；粉末球形度≥92%；霍尔流速≤18s/50g；松装密度≥4.6g/cm³。

5、进一步的，所述粉末中y2o3颗粒均匀分布于铜基体晶粒内部及晶界处，粒径为5~50nm。

6、第二方面，本发明提供一种制备如上中任一项所述氧化钇弥散强化铜铬铌合金粉末的方法，包括以下步骤：

7、a）按合金组分对原料粉末进行配料，其中cr过量加入以补偿后续工艺损耗；

8、b）对步骤a）所得混合粉末进行高能球磨；

9、c）对步骤b）所得复合粉末进行射频等离子球化处理；

10、d）对步骤c）所得球形粉末进行干燥和分级过筛。

11、进一步的，所述步骤b）中所述高能球磨的球料比为10:1~15:1，球磨转速为300~450rpm，球磨时间为20~40小时，球磨介质为无水乙醇，添加量为粉末总质量的0.5%~1.0%。

12、进一步的，所述步骤c）中所述射频等离子球化处理的工艺参数为：等离子体发生器功率25~45kw，送粉速率10~25g/min，载气流量3~6l/min，工作气体为氩气或氩气与氢气的混合气体。

13、第三方面，本发明提供一种激光选区熔化成形方法，用于对权利要求1~3中任一项所述合金粉末或权利要求4~6中任一项所述方法制备的合金粉末进行成形，包括以下步骤：

14、（1）将基板预热至200~500℃，成形室内充入保护气氛使氧含量低于100ppm；

15、（2）采用激光对合金粉末进行逐层熔化成形，激光功率为300~500w，扫描速度为600~1200mm/s，扫描间距为0.08~0.12mm，铺粉层厚为30~50μm；

16、（3）对成形件进行后处理。

17、进一步的，所述激光选区熔化成形过程中，体能量密度为60~120j/mm³。

18、进一步的，所述步骤（3）所述后处理包括去应力退火、热等静压处理和时效热处理中的至少一种；

19、所述去应力退火的温度为400~600℃，保温时间为1~2小时；

20、所述热等静压处理的温度为980~1050℃，压力为150~200mpa，保温保压时间为2~4小时；

21、所述时效热处理的温度为450~550℃，保温时间为2~4小时。

22、进一步的，所述合金部件的导电率≥54%iacs，室温抗拉强度≥904mpa，400℃抗拉强度≥471mpa。

23、综上所述，本发明的有益效果为：

24、本发明的氧化钇弥散强化铜铬铌合金及其制备方法，所述铜铬铌合金具体含量百分比如下:cr含量为3.5~4.5%，nb含量为1.8~2.2%，y2o3含量为0.05~0.5%，o含量（除y2o3结合氧外）≤0.04%，fe含量≤0.05%，余量为cu。具体制备步骤如下：（1）球磨混料；（2）对混合后的粉末进行等离子球化并干燥过筛；（3）对复合粉末进行激光选区熔化成形；（4）对所得合金块进行去应力退火；（5）对退火后的合金块进行热等静压处理；（6）对热等静压后的合金块进行时效处理。本发明对铜铬铌合金的进行成分设计，通过降低cr、nb元素含量并引入y2o3，以细化微观组织，且通过三级热处理消除合金缺陷、促进沉淀相析出，使得本发明制备的铜铬铌合金在保证高导电导热性的同时，兼具沉淀、弥散协同强化机制，提高了合金的高温力学性能。

25、本发明的氧化钇弥散强化铜铬铌合金及其制备方法，从源头上改善铜铬铌合金的制备加工性能，通过结合机械合金化、射频等离子球化等制备工艺，可制备出球形度高、流动性好、适配3d打印的氧化钇弥散强化铜铬铌合金粉末。后续采用激光选区熔化成形并利用去应力退火、热等静压、时效进行三级热处理，可通过优化相关工艺参数，综合调控合金性能，制备出致密度高、高温强度优、导热性好的氧化钇弥散强化铜铬铌合金。

26、首先，在铜合金的成分体系设计中，通过精准引入纳米级y2o3陶瓷颗粒，不仅在铜基体中形成了均匀弥散分布的稳定第二相，实现了显著的弥散强化效果，还大幅提升了铜合金粉末对slm工艺常用红外激光的吸收率。这一特性有效拓宽了slm成形的可加工工艺窗口，显著降低了高反射率铜基材料固有的激光能量反射损耗，进而减少了光路系统的热损伤风险以及成形件内部的未熔合、气孔等典型冶金缺陷。

27、其次，本发明所设计的铜合金构建了cr2nb沉淀强化与y2o3弥散强化协同作用的复合强化体系，显著提升了合金的高温瞬时强度、高温蠕变抗力及长时热稳定性。测试结果表明，该合金在800℃高温下的强度保持率显著优于未掺杂y2o3的grcop-42合金，展现出更为优异的高温服役潜力。

28、最后，本发明创新构建了增材制造后去应力退火-热等静压-时效处理三级协同热处理工艺，有效消除了slm成形件内部的残余应力、微孔隙及微裂纹等缺陷。该工艺在维持铜基体本征高导热性能的前提下，使成形件的室温/高温力学性能与致密度达到锻件水平，并具备优异的气密性，完全满足新一代液体火箭发动机燃烧室及尾喷管内衬的长寿命、高可靠性服役要求。