一种CuCrZr材料性能改善的方法
技术领域
本发明涉及金属粉末冶金技术领域，尤其涉及一种CuCrZr材料性能改善的 方法。
背景技术
3D打印应用研究最令人兴奋是金属领域新材料的发展，金属3D打印正在 从高端的钛合金、镍基高温合金等材料的3D打印应用越来越广泛的应用到不锈 钢、铜合金、铝合金等材料的3D打印领域，从而扩展3D打印零件的应用前景。
在实际应用方面，铜合金3D打印件也逐步应用到关键零部件上。AerojetRocketdyne公司在研究制造新一代RL10发动机时，用3D打印铜合金推力室部 件替代以前的RL10C-1推力室部件，这为制造新一代发动机带来了可能性。被 替代的推力室部件是由传统工艺制造的，由多个不锈钢零件焊接而成，而3D打 印的铜合金推力室部件则由两个铜合金零件构成。民营航天企业Launcher与合 作伙伴3T、EOS也开发了3D打印铜合金火箭发动机部件。
3D打印技术的应用可以减少发动机零件数量，缩短开发时间，并且更加易 于制造复杂功能集成的部件，目前，铜合金的3D打印关键零部件应用越来越多， 所以对铜合金材料性能的提升，才能更好的提升3D打印的速率和效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种CuCrZr材料性能改善的方法。
本发明的技术要点为：
一种CuCrZr材料性能改善的方法，主要包括以下步骤：
S1、制备铜合金棒材：根据质量分数，CuCrZr合金球形粉末的主要化学成 分质量分数比为：Cr:0.7-1.2％、Zr:0.065-0.25％、Cu:余量，通过此配比方式 进行熔炼、浇铸和锻造，得到相对密度≥90％的且表面无明显的疏松、缩孔缺 陷的棒材坯料，通过此配比能够将制备的棒材充分合金化，从而满足使用性能；
S2、加工铜合金棒材：根据锯床、车床加工成符合真空感应熔炼炉加料尺 寸要求的铜合金棒材，并对切割后的铜合金棒材的表面进行加工，使其表面粗 糙度≤1.6μm；
S3、将CuCrZr棒料二次精炼：将CuCrZr棒料放置炉内坩埚中熔化后通过 电磁感应搅拌，对整套设备进行预抽真空处理，随后充入惰性保护气体，将 CuCrZr棒料装入涂有用于防止溶液与石墨发生反应的专业防护层的石墨坩埚中， 启动真空抽气系统，待到真空度达到4*10-2Pa时，开始中频加热，对原材料进 行重熔，当石墨坩埚中温度达到1350℃，压力在-0.02Mpa时，关闭真空抽气系 统，充入高纯氩气，并通过电磁感应搅拌，继续加热直至原材料处于完全熔化 态，二次精炼是为了进一步去除杂质和降低气体元素，同时将合金棒料变成液 态为了后续雾化，在真空度达到4*10-2Pa时，再开始中频加热，防止合金溶液 被氧化，一方面保证合金成分含量，另一方面防止引入杂质；
S4、制备固溶态粉末：将炼熔后的原材料溶液倒入中间包后保温，保温过 程中通过预先放置Zr丝来弥补重熔过程中的Zr含量损失，启动电磁感应搅拌， 半小时后启动惰性气体加热装置，加热雾化气体，通过红外测温仪器检测，待 合金熔液过热度达到150℃之间，倾倒坩埚倒入雾化喷嘴之上的中间包内，保 温静置15分钟，保温温度1350℃启动惰性气体保温装置，加热雾化气体至 300℃，最后雾化后冷却筛分出10-65μm的固溶态粉末，放置打印设备后抽成 1*10-2真空备用，弥补重熔过程中的Zr含量能够细化第二相，使第二相弥散分 布，增加铜合金强度和导电率；
S5、启动3D打印设备：启动设备，开始打印样块成型，打印出直径20mm， 高度20mm的试样块；
S6、热等静压和退火处理：打印完成后，先进行热等静压处理，增加铜合 金产品的致密性，然后进行退火处理，热等静压参数是：温度850℃，压力 120MPa，保温保压时间4h，升温速率15℃/min；退火处理温度是450℃，时间 6h。
进一步的，S1中在按照母材成分配比熔炼金属时另外加入纯铜、CuCr中间 合金和CuZr中间合金，在对合金进行熔炼时，氩气通入时间为10min，溶液静 止时间为20-30min，浇铸时，浇铸速率为30-40kg/min，且在浇铸时需要及时 清理掉表面的浮渣，目的是保证杂质和气体元素的低含量。
进一步的，S4中预先放置的Zr丝的直径为1.5mm，其能够细化第二相，使 第二相弥散分布，增加铜合金强度和导电率。
进一步的，在S5中，对3D打印机的打印属性进行设定，打印数据具体为： 打印激光功率：300W，激光光斑直径：0.12mm，激光加工扫描速度：1500mm/s， 单层层高：0.02mm，并对成形室内氩气循环风速控制电压进行设定：2.5V，该 参数打印出的铜合金样块性能硬度可达到178HB。
进一步的，所述石墨坩埚中所涂的专业防护层为Sio2/Mo等离子复合涂层， 所述Sio2/Mo等离子复合涂层可防止石墨在高温下直接或者间接的与其他元素 发生碳化反应，影响部件性能，且Sio2/Mo等离子复合涂层抗热冲击性能较强， 部分Mo元素也可作为Sio2元素的催化剂，提高Sio2材料的抗热抗压性能。
更进一步的，所述Sio2/Mo等离子复合涂层制作方法为：
s1：按照质量分数为：65％的Sio2和余量Mo元素制作混合粉末，并对石墨 坩埚表面空隙做精细的清理，使用真空加压的方式，去除石墨坩埚表面的碳素 和氧化物残留，防止所制备涂层中间存在孔隙，导致坩埚碳化。
s2：使Sio2/Mo复合粉末均匀的涂在石墨坩埚表面，并在石墨坩埚表面的 空隙内也同样填充Sio2/Mo复合粉末；
S3：将涂有Sio2/Mo复合粉末的石墨坩埚放置真空熔炼炉内，加压炼熔， 使Sio2/Mo复合粉末结晶。
更进一步的，所述Sio2/Mo等离子复合涂层采用中间厚两边较薄的结构， 且从中部向向四周采用层层相叠的鱼鳞状结构，石墨坩埚在进行真空炼熔时， 其中的碳元素会首先在中间部位聚集，四周则较少，采用此种结构可更使 Sio2/Mo等离子复合涂层发挥最大作用，延长石墨坩埚的使用寿命。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
第一，按本发明中合金成分的配比，能够将制备的铜合金充分合金化从而 满足使用性能；又以特定的加入方式：纯铜、CuCr中间合金和CuZr中间合金 的加入，更大程度的提升了所制备合金的性能参数；在熔炼时特定的氩气加入 时间、溶液静置时间和电磁搅拌的强弱和在浇铸时及时对表面浮渣的处理；保 证了杂质和气体元素的低含量，从而使所炼制的合金更加精纯。
第二，本发明在S3步骤中，采用中频感应电炉，中频感应电炉具有热效率 高、熔炼时间短、合金元素烧损少、熔炼材质广、对环境污染小、能精确控制 金属液的温度和成分等优点，可在节约合金成本的情况下，最大幅度的提高合 金性能，而在中间包坩埚内加入预先准备的Zr丝来参加弥补重熔过程，其能够 细化第二相，使第二相弥散分布，增加铜合金强度和导电率。
第三，与现有技术相比，本发明的中间包坩埚温度比较高，也可以进行加 热和电磁搅拌；中间包坩埚在静置过程中也可以加如中间合金；本发明的导流 管比较短；可对雾化惰性气体进行加热。
附图说明
图1是本发明的固溶态CuCrZr球形粉；
图2是本发明第二相弥散分布在基体上。
具体实施方式
实施例一：
一种CuCrZr材料性能改善的方法，主要包括以下步骤：
S1、制备铜合金棒材：根据质量分数，CuCrZr合金球形粉末的主要化学成 分质量分数比为：Cr:1.0％、Zr:0.08％、Cu:余量，通过此配比方式进行熔炼、 浇铸和锻造，得到相对密度≥90％的且表面无明显的疏松、缩孔缺陷的棒材坯 料；
S2、加工铜合金棒材：根据锯床、车床加工成符合真空感应熔炼炉加料尺 寸要求的铜合金棒材，并对切割后的铜合金棒材的表面进行加工，使其表面粗 糙度≤1.6μm；
S3、将CuCrZr棒料二次精炼：将CuCrZr棒料放置炉内坩埚中熔化后通过 电磁感应搅拌，对整套设备进行预抽真空处理，随后充入惰性保护气体，将 CuCrZr棒料装入涂有用于防止溶液与石墨发生反应的陶瓷层石墨坩埚中，启动 真空抽气系统，待到真空度达到4*10-2Pa时，开始中频加热，对原材料进行重 熔，当石墨坩埚中温度达到1350℃，压力在-0.02Mpa时，关闭真空抽气系统， 充入高纯氩气，并通过电磁感应搅拌，继续加热直至原材料处于完全熔化态；
S4、制备固溶态粉末：将炼熔后的原材料溶液倒入中间包后保温，保温过 程中通过预先放置Zr丝来弥补重熔过程中的Zr含量损失，启动电磁感应搅拌， 半小时后启动惰性气体加热装置，加热雾化气体，通过红外测温仪器检测，待 合金熔液过热度达到150℃，倾倒坩埚倒入雾化喷嘴之上的中间包内，保温静 置15分钟，保温温度1350℃启动惰性气体保温装置，加热雾化气体至300℃， 最后雾化后冷却筛分出45μm的固溶态粉末，放置打印设备后抽成1*10-2真空 备用；
S5、启动3D打印设备：启动设备，开始打印样块成型，打印出直径20mm， 高度20mm的试样块；
S6、热等静压和退火处理：打印完成后，先进行热等静压处理，增加铜合 金产品的致密性，然后进行退火处理，热等静压参数是：温度850℃，压力 120MPa，保温保压时间4h，升温速率15℃/min；退火处理温度是450℃，时间 6h。
S1中在按照母材成分配比熔炼金属时另外加入相同配比的纯铜、CuCr中间 合金和CuZr中间合金，在对合金进行熔炼时，氩气通入时间为10min，溶液静 止时间为30min，浇铸时，浇铸速率为35kg/min，且在浇铸时需要及时清理掉 表面的浮渣。
S4中预先放置的Zr丝的直径为1.5mm。
在S5中，对3D打印机的打印属性进行设定，打印数据具体为：打印激光 功率：300W，激光光斑直径：0.12mm，激光加工扫描速度：1500mm/s，单层层 高：0.02mm，并对成形室内氩气循环风速控制电压进行设定：2.5V。
所述石墨坩埚中所涂的专业防护层为Sio2/Mo等离子复合涂层，所述 Sio2/Mo等离子复合涂层可防止石墨在高温下直接或者间接的与其他元素发生碳 化反应，影响部件性能。
所述石墨坩埚中所涂的专业防护层为Sio2/Mo等离子复合涂层，所述 Sio2/Mo等离子复合涂层可防止石墨在高温下直接或者间接的与其他元素发生碳 化反应，影响部件性能。
所述Sio2/Mo等离子复合涂层制作方法为：
s1：按照质量分数为：65％的Sio2和余量Mo元素通过雾化的方式制成等离 子混合粉末，并对石墨坩埚表面空隙做精细的清理，使用真空加压的方式，去 除石墨坩埚表面的碳素和氧化物残留，防止所制备涂层中间存在孔隙，导致坩 埚碳化。
s2：使Sio2/Mo复合粉末均匀的涂在石墨坩埚表面，并在石墨坩埚表面的 空隙内也同样填充Sio2/Mo复合粉末；
s3：将涂有Sio2/Mo复合粉末的石墨坩埚放置真空熔炼炉内，加压炼熔， 通过设置温度以150℃/min的形式上升至1800℃，炼熔使Sio2/Mo复合粉末结 晶。
所述Sio2/Mo等离子复合涂层采用中间厚两边较薄的结构，且从中部向向 四周采用层层相叠的鱼鳞状结构，中部厚度为15um，四周最低处厚度为10um， 每片鱼鳞状台阶高度为0.2um。
经过上述实验步骤对CuCrZr材料性能进行改善后，CuCrZr材料的硬度可 达178HB，导电率为60％IACS。
实施例二：
与所述实施例一不同之处在于本此实施例在S1中制备铜合金棒材：根据质 量分数，CuCrZr合金球形粉末的主要化学成分质量分数比为：Cr:0.7％、 Zr:0.07％、Cu:余量熔炼铜合金棒材。
经过上述实验步骤对CuCrZr材料性能进行改善后，CuCrZr材料的硬度可 达139HB，导电率为72.4％IACS。
实施例三：
与所述实施例二不同之处在于本此实施例在S1中制备铜合金棒材：根据质 量分数，CuCrZr合金球形粉末的主要化学成分质量分数比为：Cr:1.2％、 Zr:0.2％、Cu:余量熔炼铜合金棒材。
经过上述实验步骤对CuCrZr材料性能进行改善后，CuCrZr材料的硬度可 达115HB，导电率为78.3％IACS。
实施例四：
与所述实施例三不同之处在于本此实施例在S1中制备铜合金棒材：根据质 量分数，CuCrZr合金球形粉末的主要化学成分质量分数比为：Cr:0.9％、 Zr:0.15％、Cu:余量熔炼铜合金棒材。
经过上述实验步骤对CuCrZr材料性能进行改善后，CuCrZr材料的硬度可 达142HB，导电率为76.9％IACS。
经过上述实施例的实验数据显示，相同热处理时，当质量分数比为： Cr:1.0％、Zr:0.08％、Cu:余量时，CuCrZr材料的硬度最高，为178HB，当质量 分数比为：Cr:1.2％、Zr:0.2％、Cu:余量时，导电率最高，为78.3％IACS，当质 量分数比为：Cr:0.9％、Zr:0.15％、Cu:余量时，硬度：142HB，导电率： 76.9％IACS，性能较为均衡。
