一种铜镍合金及其制备方法和应用 |
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| 申请号 | CN202410080202.5 | 申请日 | 2024-01-19 | 公开(公告)号 | CN117943555A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 五邑大学; | 发明人 | 禹庭; 刘晓航; 刘杰轩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 铜 镍 合金 及其制备方法和应用，所述铜镍合金的制备方法包括以下步骤：(1)建立三维模型并进行切片处理，设置激光扫描路径；(2)在 基板 上铺设铜镍合金粉，然后按照激光扫描路径进行激光打印；(3)重复步骤(2)，制得所述铜镍合金；所述激光打印步骤中，激光功率为200～320W，激光扫描速率为600～1000mm/s，扫描间距为0.03～0.06mm。本发明中的制备方法制得的铜镍合金的晶粒细化且无偏析的现象，具有优异的抗 变形 能 力 、显微硬度、 耐磨性 能以及耐 腐蚀 性能。此外，相对于传统的 铸造 方法，本发明中的制备方法可以制备出特殊的复杂结构的铜镍合金构件，且制备周期短、材料利用率高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种铜镍合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种铜镍合金及其制备方法和应用技术领域[0001] 本发明属于合金领域，具体涉及一种铜镍合金及其制备方法和应用。 背景技术[0002] 铜及铜合金材料是目前广泛使用的最重要的基础材料之一，铜合金具有良好的力学性能、高温稳定性和耐腐蚀性等，被广泛应用于散热器、交换器和工业等领域。铜镍合金作为铜合金中的一种，具有良好的耐海水腐蚀性和抗海洋生物附着性等，被广泛的应用于造船、电力工业、海洋工程中、船舶的海水管路系统以及冷凝器等。随着结构一体化的发展，对于复杂铜合金结构部件的需求越来越强烈，使用传统的制造方式不仅容易产生缩孔、成分偏析和表面缺陷等，而且传统的制造方式难以制备出特殊复杂结构的部件如内部复杂的管道结构、换热器结构等。 [0003] 近年来，增材制造技术发展迅速，特别是激光选区熔化技术(selective laser melting，SLM)取得了很多成就。激光选区熔化技术是基于粉末逐层堆积成构件的技术，其通过激光系统有选择性地熔化预先铺设的粉末层，粉末层与层之间通过激光束扫描后快速熔化凝固而相融合，最终成形为所设计的构件。目前，对于铜镍合金的制备多采用传统的加工方式，对于激光选区熔化技术制备Cu‑Ni合金还未见报道。 发明内容[0004] 为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种铜镍合金的制备方法。 [0005] 本发明的目的之二在于提供一种铜镍合金。 [0006] 本发明的目的之三在于提供一种铜镍合金的制备方法在电力工业或海洋工程领域中的应用。 [0007] 为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是： [0008] 本发明的第一个方面提供了一种铜镍合金的制备方法，包括以下步骤： [0009] (1)建立三维模型并进行切片处理，设置激光扫描路径； [0010] (2)在基板上铺设铜镍合金粉，然后按照激光扫描路径进行激光打印； [0011] (3)重复步骤(2)，制得所述铜镍合金； [0012] 所述激光打印步骤中，激光功率为200～320W，激光扫描速率为600～1000mm/s，扫描间距为0.03～0.06mm。 [0013] 优选地，所述激光打印步骤采用激光选区熔化方法进行打印。 [0016] 优选地，所述步骤(2)具体为：在基板上铺设一层铜镍合金粉，然后按照设置的激光扫描路径进行激光扫描，使铜镍合金粉打印成形，得到铜镍合金层； [0017] 优选地，所述步骤(3)具体为：在激光打印成形的铜镍合金层上铺设一层铜镍合金粉，然后按照设置的激光扫描路径进行激光扫描，使铜镍合金粉打印成形； [0018] 优选地，所述激光打印步骤中，扫描间距为0.04～0.06mm。 [0020] 优选地，所述基板在使用前需要预热至90～110℃。 [0021] 优选地，所述铜镍合金粉采用气雾化法制备。 [0022] 优选地，所述铜镍合金粉包括以下质量百分数的成分：镍的质量百分数为29～31％，铁的质量百分数不高于3％，铜为余量；进一步优选地，所述铜镍合金粉包括以下质量百分数的成分：镍29.96％，铁的质量百分数不高于0.06％，铜为余量。 [0023] 优选地，所述铜镍合金的制备方法包括以下步骤： [0024] (a)按照铜镍合金的成分含量称取各个金属原料，然后将金属原料在真空环境下熔融，得到熔融合金液； [0025] (b)使用惰性气体流冲击熔融合金液进行造粒，得到合金粉末。 [0026] (c)将所述合金粉末在真空中干燥得到所述铜镍合金粉。 [0027] 优选地，所述铜镍合金粉的粒径为1～7μm。 [0028] 优选地，所述铜镍合金粉的平均粒径为2.6～2.8μm。 [0029] 优选地，所述铜镍合金粉的形状为近球形。 [0030] 优选地，所述铜镍合金粉的铺设厚度为0.035～0.045mm。 [0031] 优选地，所述激光打印步骤中，相邻两层铜镍合金粉的激光扫描方向之间的夹角为65～70°；进一步优选地，所述激光打印步骤中，相邻两层铜镍合金粉的激光扫描方向之间的夹角为66～68°。 [0032] 优选地，所述激光打印步骤中的体能量密度为100‑266.7J/mm3。本发明中的体能量密度公式定义为E＝P/(v·t·h)；其中P、v、t和h分别为激光功率、激光扫描速度、铺粉层厚和扫描间距。 [0034] 优选地，所述激光打印步骤是在惰性气体保护下进行。 [0035] 优选地，所述惰性气体为氩气。 [0036] 本发明的第二个方面提供了一种铜镍合金，采用本发明第一个方面提供的方法制得。 [0037] 本发明的第三个方面提供了本发明第一个方面提供的铜镍合金的制备方法在电力工业或海洋工程领域中的应用。 [0038] 本发明的有益效果是：本发明中的制备方法制得的铜镍合金的晶粒细化且无偏析的现象，具有优异的抗变形能力、显微硬度、耐磨性能以及耐腐蚀性能。此外，相对于传统的铸造方法，本发明中的制备方法可以制备出特殊的复杂结构的铜镍合金构件，且制备周期短、材料利用率高。附图说明 [0039] 图1为本发明中铜镍合金粉原材料的SEM图和粒径分布图。 [0040] 图2为本发明中铜镍合金粉和实施例1中制得的铜镍合金的XRD图。 [0041] 图3为实施例1中的铜镍合金和商用铸态白铜B30的显微硬度测试图。 [0042] 图4为实施例2中的铜镍合金和商用铸态白铜B30的压缩应力‑应变和压缩强度测试图。 [0043] 图5为实施例3中的铜镍合金和商用铸态白铜B30的动电位极化曲线图。 [0044] 图6为实施例4中的铜镍合金和商用铸态白铜B30的摩擦时间与摩擦系数的关系图。 [0045] 图7为实施例4中的铜镍合金的光学显微镜图。 [0046] 图8为对比例1中的铜镍合金的光学显微镜图。 具体实施方式[0047] 以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步详细说明，但本发明的实施和保护不限于此。需要指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买得到的常规产品。 [0048] 本发明实施例和对比例1中所使用的铜镍合金CuNi30粉末，购买自奥科新材料公司；铜镍合金CuNi30粉末采用气雾化法进行制备，具体气雾化法步骤为： [0049] (a)按照铜镍合金的成分含量称取各个金属原料，然后将金属原料在真空环境下熔融，得到熔融合金液； [0050] (b)使用惰性气体流冲击熔融合金液进行造粒，得到合金粉末。 [0051] (c)将所述合金粉末在真空中干燥得到所述铜镍合金粉。 [0052] 商用铸态白铜B30，记为Casting，其型号为铸造C71500铜镍合金。 [0053] 实施例1 [0054] 本例提供一种铜镍合金的制备方法，具体步骤如下： [0055] 1)粉末的制备：采用气雾化法制备CuNi30合金粉末，CuNi30合金粉末的外貌为近球形，粉末的粒径分布范围为1～7μm，粉末的平均粒径为2.7μm； [0056] 2)使用Solid works软件建模以及magics软件切片处理：建立10mm×10mm×10mm的正方体三维模型，并进行切片处理； [0058] 4)SLM成形过程：对基板进行100℃的预热，激光功率为200W，扫描速度800mm/s，扫2 描间距0.05mm，体能量密度为125J/mm ，扫描方式为N层与N+1层之间激光扫描方向旋转 67°，在高纯氩气保护气氛(氧含量在1000ppm以下)下使用增材制造系统进行打印成形；将打印好的试样从设备中取出，并使用线切割将试样和基板分离，对试样进行研磨和抛光以获得表面无明显划痕的试样，制得本例中的铜镍合金，记为SLM。 [0059] 实施例2 [0060] 本例提供一种铜镍合金的制备方法，具体步骤如下： [0061] 1)粉末的制备：采用气雾化法制备CuNi30合金粉末，CuNi30合金粉末的外貌为近球形，粉末的粒径分布范围为1～7μm，粉末的平均粒径为2.7μm； [0062] 2)使用Solid works软件建模以及magics软件切片处理：建立10mm×10mm×10mm的正方体三维模型，并进行切片处理； [0063] 3)成形仓铺粉：使用不锈钢基板，在基板表面铺上步骤1)中制得的CuNi30合金粉末，每层粉末的厚度固定为0.04mm； [0064] 4)SLM成形过程：对基板进行100℃的预热，激光功率分别为200W，扫描速度700mm/2 s，扫描间距0.05mm，体能量密度为142.9J/mm，扫描方式为N层与N+1层之间激光扫描方向旋转67°，在高纯氩气保护气氛(氧含量在1000ppm以下)下使用增材制造系统进行打印成形；将打印好的试样从设备中取出，并使用线切割将试样和基板分离。对试样进行研磨和抛光以获得表面无明显划痕的试样，制得本例中的铜镍合金。 [0065] 实施例3 [0066] 本例提供一种铜镍合金的制备方法，具体步骤如下： [0067] 1)粉末的制备：采用气雾化法制备CuNi30合金粉末，粉末的外貌为近球形，粉末的粒径分布范围为1～7μm，粉末的平均粒径为2.7μm； [0068] 2)使用Solid works软件建模以及magics软件切片处理：建立10mm×10mm×10mm的正方体三维模型，并进行切片处理； [0069] 3)成形仓铺粉：使用不锈钢基板，在基板表面铺上步骤1)中制备的CuNi30合金粉末，每层粉末的厚度固定为0.04mm； [0070] 4)SLM成形过程：对基板进行100℃的预热，激光功率为260W，扫描速度1000mm/s，2 扫描间距0.05mm，体能量密度为130J/mm ，扫描方式为N层与N+1层之间激光扫描方向旋转 67°，在高纯氩气保护气氛(氧含量在1000ppm以下)下使用增材制造系统进行打印成形；将打印好的试样从设备中取出，并使用线切割将试样和基板分离。对试样进行研磨和抛光以获得表面无明显划痕的试样，制得本例中的铜镍合金。 [0071] 实施例4 [0072] 本例提供一种铜镍合金的制备方法，具体步骤如下： [0073] 1)粉末的制备：采用气雾化法制备CuNi30合金粉末，CuNi30合金粉末的外貌为近球形，粉末的粒径分布范围为1～7μm，粉末的平均粒径为2.7μm； [0074] 2)使用Solid works软件建模以及magics软件切片处理：建立10mm×10mm×10mm的正方体三维模型，并进行切片处理； [0075] 3)成形仓铺粉：使用不锈钢基板，在基板表面铺上步骤1)中制备的CuNi30合金粉末，每层粉末的厚度固定为0.04mm； [0076] 4)SLM成形过程：对基板进行100℃的预热，激光功率为200W，扫描速度1000mm/s，2 扫描间距0.05mm，体能量密度为100J/mm ，扫描方式为N层与N+1层之间激光扫描方向旋转 67°，在高纯氩气保护气氛(氧含量在1000ppm以下)下使用增材制造系统进行打印成形；将打印好的试样从设备中取出，并使用线切割将试样和基板分离，对试样进行研磨和抛光以获得表面无明显划痕的试样，制得本例中的铜镍合金。 [0077] 对比例1 [0078] 本例提供一种铜镍合金的制备方法，具体步骤如下： [0079] 1)粉末的制备：采用气雾化法制备CuNi30合金粉末，CuNi30合金粉末的外貌为近球形，表面粘有少量的卫星粉，粉末的粒径分布范围为1～7μm，粉末的平均粒径为2.7μm； [0080] 2)建模以及切片处理：建立10mm×10mm×10mm的正方体三维模型，并进行切片处理； [0081] 3)成形仓铺粉：使用不锈钢基板，在基板表面铺上步骤1)中制备的CuNi30合金粉末，每层粉末的厚度固定为0.04mm； [0082] 4)SLM成形过程：对基板进行100℃的预热，激光功率为230W，扫描速度600mm/s，扫2 描间距0.05mm，体能量密度为216.7J/mm ，扫描方式为N层与N+1层之间激光扫描方向旋转 67°，在高纯氩气保护气氛(氧含量在1000ppm以下)下使增材制造系统进行打印成形；将打印好的试样从设备中取出，并使用线切割将试样和基板分离，对试样进行研磨和抛光以获得表面无明显划痕的试样，制得本例中的铜镍合金。 [0083] 性能测试： [0084] 采用扫描电子显微镜测试CuNi30铜镍合金粉原材料的表面形貌，具体测试结果如图1(a)所示，由图1(a)可知，CuNi30铜镍合金粉原材料的球形度较高。然后测试CuNi30铜镍合金粉原材料的粒径分布，具体测试结果如图1(b)所示，由图1(b)可知，本发明铜镍合金粉原材料的粒径分布均匀，其中，Dv(10)为1.2μm，Dv(50)为2.7μm，Dv(90)为4.7μm；满足激光选区熔化方法对粉末粒径的要求。 [0085] 采用X‑射线衍射仪测试CuNi30铜镍合金粉和实施例1中制得的铜镍合金的XRD数据，具体测试结果如图2所示，由图2可知，实施例1中的铜镍合金和CuNi30铜镍合金粉均只能检测到α‑Cu相的峰位，说明所制备的铜镍合金材料达到了预期的效果。经测试，实施例2～4中的铜镍合金试样的XRD测试结果与实施例1基本相同。 [0086] 使用维氏显微硬度计测试实施例1中制备的铜镍合金试样和商用铸态白铜B30的显微硬度，其测试结如图3所示，由实施例1制备的试样的显微硬度为120.7HV0.1高于商用铸态白铜B30的115.6HV0.1。此外，经过测试发现，实施例2～4中的铜镍合金的显微硬度与实施例1基本相同，表明采用本发明中的制备方法可以显著提高铜镍合金的硬度等性能。 [0087] 根据GB/T 7314‑2017标准，使用万能拉伸试样机测试实施例2中制备的铜镍合金试样和商用铸态白铜B30的抗压缩变形能力，试样轴线与成形方向平行，其压缩应变‑应力曲线测试结果如图4(a)所示，其压缩强度测试结果图如图4(b)所示。由图4(a)和图4(b)可知，实施例2制备的试样的压缩强度为1060MPa显著高于商用铸态白铜B30的740MPa，此外，经过测试发现，实施例1、3～4中的铜镍合金的压缩强度与实施例2基本相同，进一步表明采用本发明中的制备方法可以显著提高铜镍合金的压缩强度等力学性能。 [0089] 表1实施例3和商用铸态白铜B30中的铜镍合金的耐腐蚀性能测试结果[0090] [0091] 由图5和表1可知，实施例3中的铜镍合金的自腐蚀电位为‑193mV，大于商用铸态白‑7铜B30的铸造试样的‑196mV；实施例3中的铜镍合金的自腐蚀电流9.627×10 A，小于商用铸‑6 态白铜B30的3.658×10 A，即实施例3制备的铜镍合金试样的耐腐蚀能力优异于铸造试样。 经测试实施例1～2、4中的铜镍合金试样具有与实施例3相当的耐腐蚀能力。 [0092] 使用摩擦试验机对实施例4和商用铸态白铜B30进行摩擦磨损测试，试样摩擦时间与摩擦系数的关系如图6所示。由图6可知，实施例4中制得的铜镍合金的平均摩擦系数为0.22低于商用铸态白铜B30中铸造试样的0.25。分别测试实施例4和对比例1中的铜镍合金试样的光学显微图，具体测试结果如图7和图8所示，其中，图7为实施例4中的铜镍合金的光学显微图，图8为对比例1中的铜镍合金的光学显微图。由图7～8可知，实施例4中的铜镍合金的致密度较高，存在少量孔洞，而对比例1中的铜镍合金表面分布着大量不规则的孔洞，由此可知，不同的加工参数对制得的铜镍合金的成形性能有较大影响。 [0093] 综上所述，本发明采用激光选区熔化技术制备的CuNi30合金材料的致密度好、晶粒细化且无偏析的产生，且具有优异于铸造试样的抗变形能力、显微硬度、耐磨性能以及耐腐蚀性能。此外，使用本发明中的制备方法制备CuNi30材料时能够缩短加工时间、原材料的利用率高且可实现制备传统铸造方式难以制备的特殊复杂结构。 [0094] 上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 |
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