CN115011836B

CN115011836B - 一种铜基合金材料及其制备方法、喷管及其增材制造方法

Info

Publication number: CN115011836B
Application number: CN202210593342.3A
Authority: CN
Inventors: 卢静; 杨小平; 何爱杰; 钟燕; 张少平; 田伟; 陈著
Original assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Current assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Priority date: 2022-05-27
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2042-05-27
Also published as: CN115011836A

Abstract

本发明提供了一种铜基合金材料及其制备方法、喷管及其增材制造方法。铜基合金材料以质量百分比计包括，Al：8～10％、Mn：8～9％、Si：0.10～0.13％、其余为Cu。按以下步骤制备：配料、真空熔炼、气雾化制粉、筛粉、干燥，最后打印成形制得喷管。本发明通过在CuAlMn形状记忆合金中添加其他微量元素及改变元素配比，使得CuAlMn形状记忆合金在直接打印成形后便具有双程形状记忆效应，通过训练后壁厚1.2mm的锥筒体结构双程变形可以达到4％以上，而且力学性能得到大幅度改善的同时形状记忆效果大幅度提高，可用于发动机智能变形喷管。

Description

一种铜基合金材料及其制备方法、喷管及其增材制造方法

技术领域

本发明涉及航空发动机喷管制造技术领域，具体涉及一种铜基合金材料及其制备方法、喷管及其增材制造方法。

背景技术

Cu基形状记忆合金由于其高强高导、好的超弹性、加工性能好、高阻尼、宽的相变滞后、相变温度宽(-180-400℃内可调)、低廉的价格等特性，广泛用于航空航天、汽车交通、能源资源、智能材料和日常生活领域，尤其在某些对其形状记忆性能及稳定性要求不太苛刻的条件下(如热水控温阀、热水器等)优势非常明显。在航空发动机方面，为提升发动机的隐身功能，需要在某工况下喷管形状由圆形改变为超椭圆结构。传统的尾喷管采用调节片、密封片、连杆、机械驱动装置等实现喷管出口面积变化，结构复杂、重量大，且零件数量多，零件多采用高温合金，机加精度和装配精度要求较高。采用形状记忆合金(SMA)增材制造技术制备的喷管结构简单、重量轻，有利于提高发动机的隐身性能和推重比。

Cu基形状记忆合金作为一种典型的β相记忆合金(母相为BCC结构)，只有在β相区快冷至马氏体转变温度以下，得到的马氏体组织才具有形状记忆效应。但是铜基形状记忆合金的形状记忆效应及稳定性差、弹性各向异性因子大、塑性差，如何改善其力学性能的同时获得其优异的形状记忆效应、如何得到双程形状记忆效应一直是需要迫切解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种铜基合金材料及其制备方法、喷管及其增材制造方法，该增材制造方法制备得到的铜基形状记忆合金智能变形喷管具有优异的双程形状记忆效应，克服了传统喷管在制造和使用中形状记忆效应及稳定性差、弹性各向异性因子大、塑性差等缺点。

本申请实施例提供以下技术方案：一种铜基合金材料，按质量百分比计，包括：Al：8～10％、Mn：8～9％、Si：0.10～0.13％，其余为铜。

根据本申请实施例的一种实施方式，按质量百分比计，包括：Al：9～10％、Mn：8.5～9％、Si：0.10～0.11％，其余为铜。

本申请实施例还提供一种如上述的铜基合金材料的制备方法，通过包括配料、真空熔炼、气雾化制粉、筛粉的步骤制备得到粉末状的所述铜基合金材料。

根据本申请实施例的一种实施方式，所述真空熔炼步骤中，熔炼温度为800～1500℃，炉内气压为0.4～0.6MPa。

根据本申请实施例的一种实施方式，所述气雾化制粉步骤中，在氩气保护气氛下进行，气体压力为0.3～8MPa。

根据本申请实施例的一种实施方式，所述筛粉步骤中，采用200目的筛网进行筛分。

根据本申请实施例的一种实施方式，在所述筛粉步骤之后还包括干燥步骤，干燥温度为100～150℃，保温时间为5～12小时。

本申请实施例还提供一种喷管，所述喷管采用如上述的铜基合金材料制备得到。

本申请实施例还提供一种如上述的喷管的增材制造方法，所述喷管通过激光粉末增材制造方法打印成形；其中的激光参数为：采用不锈钢基板，预热，激光功率为200～400W；激光扫描速度为600～1100mm/s；扫描间距为0.1～0.2mm；层间厚度为0.03～0.06mm。

根据本申请实施例的一种实施方式，所述的激光参数为：采用不锈钢基板，预热，激光功率为225～375W；激光扫描速度为750～900mm/s；扫描间距为0.12mm；层间厚度为0.03～0.05mm。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

(1)本发明实施例通过在CuAlMn形状记忆铜合金中添加Si等微量元素，同时改变Cu、Al、Mn元素的含量，制备的粉末球形度良好，流动性为15～35s/50g。使得成形后的合金力学性能得到大幅度改善的同时形状记忆效果大幅度提高。同时成形后便可具有双程形状记忆效应，经过热机械训练双程形状记忆效应可得到提高，满足飞机智能尾喷管的双程变形要求。

(2)本发明实施例可以通过调控微量元素的组成在20～200℃之间精准控制马氏体相变点；在6％的应变下，形状记忆回复率可达100％；而且本发明实施例的致密度可达到95％以上，无裂纹出现；合金强度可达到900MPa，延伸率可达到13％以上，具有良好的高温性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明第一实施例中雾化制粉得到的预合金粉末的SEM形貌图；

图2是本发明第一实施例中铜基合金粉末OM图；

图3、图4分别是本发明第一实施例中制得的喷管的拉伸力学性能图、室温拉伸回复图；

图5是本发明第二实施例中铜基合金粉末OM图；

图6、图7分别是本发明第二实施例中制得的喷管的拉伸力学性能图、室温拉伸回复图；

图8是本发明第三实施例中铜基合金粉末OM图；

图9、图10分别是本发明第三实施例中制得的喷管的拉伸力学性能图、室温拉伸回复图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种铜基合金材料，按质量百分比计，包括：Al：8～10％、Mn：8～9％、Si：0.10～0.13％，其余为铜。各组分配料采用纯度99％以上的Cu、Al、Mn及AlSi合金原材料。

该铜基合金材料的制备方法，通过包括配料、真空熔炼、气雾化制粉、筛粉、干燥的步骤制备得到粉末状的所述铜基合金材料。

其中，所述真空熔炼步骤中，熔炼温度为800～1500℃，炉内气压为0.4～0.6MPa；所述气雾化制粉步骤中，在氩气保护气氛下进行，气体压力为0.3～8MPa；所述筛粉步骤中，采用200目的筛网进行筛分；在所述干燥步骤中，干燥温度为100～150℃，保温时间为5～12小时。

采用上述粉末状的所述铜基合金材料，通过增材制造技术打印成形得到航空发动机尾喷管，其中所述的增材制造技术为激光粉末床技术(L-PBF)。其中的激光参数为：采用不锈钢基板，预热至100℃，激光功率为200～400W；激光扫描速度为600～1100mm/s；扫描间距为0.1～0.2mm；层间厚度为0.03～0.06mm。

本发明实施例通过在CuAlMn形状记忆合金中添加其他微量元素及改变元素配比，使得CuAlMn形状记忆合金在直接打印成形后便具有双程形状记忆效应，喷管在锥筒体结构与椭圆结构间往复变形，通过训练后壁厚1.2mm的锥筒体结构双程变形可以达到4％以上，而且力学性能得到大幅度改善的同时形状记忆效果大幅度提高。

接下来，采用具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1：一种铜基合金材料及采用该铜基合金材料制备喷管的增材制造方法，包括以下步骤：

1.制备CuAlMn粉末，按照质量百分比含量进行配制，如下：Al：9.33％；Mn：8.92％；Si：0.11％；其余为Cu。配料采用纯度99％以上的Cu、Al、Mn及AlSi合金原材料。

2.真空熔炼：将配置好的金属原料放入真空感应炉中加热熔炼；其熔炼温度为1150℃，炉内气压为0.4MPa；以氮气为保护气氛，气体压力为4MPa。

3.雾化制粉：在氩气的保护气氛下，进行气雾化制粉，制得预合金粉末；如图1所示，图1为气雾化制备的该预合金粉末的SEM形貌图；

4.筛粉：将制得粉末过200目筛网筛分；

5.干燥处理：将筛分过的铜合金粉末置于干燥箱中干燥，干燥温度：100℃，保温时间：10小时；

6.打印成形：采用激光参数为：不锈钢基板，预热到100℃，激光功率为225W；激光扫描速度为750mm/s；扫描间距为0.12mm；层厚为0.03mm。

在该参数下打印成型的喷管没有明显的裂纹、无大的不规则空洞，多为一些较小的球形孔和气孔，致密度较高；如图2所示，图2是本实施例1中喷管合金的OM图。如图3-图4所示，图3、图4分别是本实施例1中制得的喷管的拉伸力学性能图、室温拉伸回复图；该喷管的塑性可达9.6％，抗拉强度为750MPa，屈服强度在200MPa以上，室温变形回复可达3％左右。

实施例2：一种铜基合金材料及采用该铜基合金材料制备喷管的增材制造方法，包括以下步骤：

1.制备CuAlMn粉末，按照质量百分比含量进行配制，如下：Al：9.33％；Mn：8.92％；Si：0.11％；其余为铜。配料采用纯度99％以上的Cu、Al、Mn及AlSi合金原材料。

3.雾化制粉：在氩气的保护气氛下，进行气雾化制粉，制得预合金粉末；

4.筛粉：将制得粉末过200目筛网筛分；

6.打印成形：采用激光参数为：不锈钢基板，预热到100℃，激光功率为225W；激光扫描速度为750mm/s；扫描间距为0.12mm；层厚为0.05mm。

在该参数下打印成型的喷管存在一些大的不规则空洞和一些较小的球形孔和气孔；如图5所示，图5是本实施例2中喷管合金的OM图。如图6-图7所示，图6、图7分别是本实施例2中制得的喷管的拉伸力学性能图、室温拉伸回复图；该喷管的塑性可达7％，抗拉强度为700MPa，屈服强度不足200MPa，超弹回复性能和塑性均较差。

实施例3：一种铜基合金材料及采用该铜基合金材料制备喷管的增材制造方法，包括以下步骤：

4.筛粉：将制得粉末过200目筛网筛分；

5.干燥处理：将筛分过的铜合金粉末置于干燥箱中干燥，干燥温度：110℃，保温时间：10小时；

6.打印成形：采用激光参数为：不锈钢基板，预热到100℃，激光功率为375W；激光扫描速度为750mm/s；扫描间距为0.12mm；层厚为0.03mm。

在该参数下打印成型的喷管没有明显的裂纹、存在大的不规则空洞和一些较小的球形孔和气孔，致密度一般；如图8所示，图8是本实施例3中喷管合金的OM图。如图9-图10所示，图9、图10分别是本实施例3中制得的喷管的拉伸力学性能图、室温拉伸回复图；该喷管的塑性可达11％，抗拉强度为700MPa左右，屈服强度在200MPa左右，室温拉伸变形回复约2％。

本申请实施例的所述增材制造铜基形状记忆合金，在-100～+100℃之间出现双程形状记忆效应。在6％的应变下，形状记忆回复率可达98％以上。并且，在直接打印成形后不需要双程形状训练便可具有双程形状记忆效应，在-100～+100℃内均存在。制得的喷管表面无裂纹，抗拉强度在600～900MPa，延伸率在6％～12％。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种喷管的增材制造方法，其特征在于，所述喷管通过激光粉末增材制造方法打印成形；其中的激光参数为：采用不锈钢基板，预热，激光功率为200～400W；激光扫描速度为600～1100mm/s；扫描间距为0.1～0.2mm；层间厚度为0.03～0.06mm；

所述喷管采用铜基合金材料制备得到，所述的铜基合金材料，按质量百分比计，由：Al：8～10％、Mn：8～9％、Si：0.10～0.13％，其余为铜组成；

所述的铜基合金材料的制备方法，通过包括配料、真空熔炼、气雾化制粉、筛粉的步骤制备得到粉末状的所述铜基合金材料。

2.根据权利要求1所述的喷管的增材制造方法，其特征在于，所述的铜基合金材料，按质量百分比计，由：Al：9～10％、Mn：8.5～9％、Si：0.10～0.11％，其余为铜组成。

3.根据权利要求1所述的喷管的增材制造方法，其特征在于，所述真空熔炼步骤中，熔炼温度为800～1500℃，炉内气压为0.4～0.6MPa。

4.根据权利要求1所述的喷管的增材制造方法，其特征在于，所述气雾化制粉步骤中，在氩气保护气氛下进行，气体压力为0.3～8MPa。

5.根据权利要求1所述的喷管的增材制造方法，其特征在于，所述筛粉步骤中，采用200目的筛网进行筛分。

6.根据权利要求1所述的喷管的增材制造方法，其特征在于，在所述筛粉步骤之后还包括干燥步骤，干燥温度为100～150℃，保温时间为5～12小时。

7.根据权利要求1所述的喷管的增材制造方法，其特征在于，所述的激光参数为：采用不锈钢基板，预热，激光功率为225～375W；激光扫描速度为750～900mm/s；扫描间距为0.12mm；层间厚度为0.03～0.05mm。