[发明专利]一种基于VIGA工艺制备GRCop-84球形粉的方法

说明书

本发明公开了一种基于VIGA工艺制备GRCop‑84球形粉的方法，其中GRCop‑84材料的主要化学组成及其重量百分比为：Cu‑(5～7)wt.％Cr‑(4.5～6.5)wt.％Nb。其方法包括：1)将各元素单质加入坩埚中进行熔炼、浇注、锻造，得到棒材坯料；2)加工成铜合金棒材；3)将棒料二次熔化后通过电磁感应搅拌，同时预抽真空，随后充入惰性保护气体；4)溶液倒入中间包后保温静置，加热雾化气体；5)通过导流管将金属液体引入雾化舱，将液体雾化破碎成大量细小液滴，液滴飞行过程中凝固成球形粉末颗粒；6)收集得到GRCop‑84球形粉，冷却后真空包装。本发明能够批量和稳定化制备出颗粒尺寸均匀、球形度高、低杂质含量的CuCrZr球形粉末，满足金属增材制造原材料要求。

技术领域

本发明涉及金属粉末冶金技术领域，具体是涉及一种基于VIGA工艺制备GRCop-84球形粉的方法。

背景技术

GRCop-84合金是美国国家航空、航天局格伦研究中心研究出的最新一代氢氧发动机内壁材料。GRCop-84合金中的Cr和Nb形成Cr2Nb相，第二相体积分数在14％左右，均匀分布在铜基体里，而且在超过1600℃时该第二相仍是稳定的。与此同时，大量Cr2Nb硬化相能很大程度上细化并控制铜的晶粒度，可进一步提升铜合金的强度。该材料具有优异的导电、热膨胀、强度、抗蠕变、延展性和低频疲劳等性能,其综合性能优异，显著提高了火箭引擎的性能。基于GRCop-84材料优异的性能，国外已经用增材制造技术将该材料试制出发动机尾喷嘴、发动机燃烧室内衬等航天发动机部件。NASA从2014年就已经开始开发这种用于制造火箭燃烧室的增材制造合金粉末，并快速对增材制造组件进行了热火试验。国外对此铜合金增材制造用球形粉末进行了严格管控，没有对我国形成出口。

金属增材制造对粉末的要求很高，比如粉体流动性好，颗粒直径和形貌合理搭配，成分要均匀，气体元素含量低等要求，要实现这些要求，粉末化学和物理性能稳定是前提。粒径细而窄、粒径均匀、球形度高、氧含量低的金属粉末，是金属增材制造结构精度高、力学性能好金属构件的前提和保证，同时优异的金属粉末也可以显著提高材料的利用率，降低制造成本，缩短生产周期。本发明设计GRCop-84合金球形粉末的制备思路就是基于满足金属增材制造的原材料要求，用VIGA工艺制备粉末，以解决航天发动机先进铜合金复杂冷却结构部件的增材制造原材料国产化制备问题。

发明内容

针对上述背景技术提出的问题，本发明提供了一种种基于VIGA(真空惰性气体雾化系统)工艺制备GRCop-84球形粉的方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于VIGA工艺制备GRCop-84球形粉的方法，包括以下步骤：

S1、据质量分数，GRCop-84合金球形粉末的主要化学成分与质量分数比为：Cr:(5～7)％；Nb:(4.5～6.5)％；Cu:余量，这个范围内的合金成分配比，材料的性能最好，根据各元素的配比将各元素的单质加入坩埚中进行熔炼，浇注完后再进行锻造，得到相对密度≥90％的棒材坯料；棒材表面无明显的疏松、缩孔等缺陷；

S2、用锯床、车床加工成符合真空感应熔炼炉加料尺寸要求的GRCop-84合金棒材坯料；

S3、将GRCop-84棒材坯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；

S4、溶液倒入中间包后保温静置，启动惰性气体加热装置，加热雾化气体；

S5、通过导流管将金属液体引入雾化舱，在气压为2～5MPa条件下，将高压惰性气体通过喷嘴将金属液体雾化破碎成大量细小的液滴，液滴飞行过程中凝固成球形粉末颗粒；气压要求严格控制在2～5MPa范围内，气压过大，磨损喷嘴，粉末粒径细，粉末球形度和空心粉的比率升高，用气成本高；气压过小，容易堵塞喷嘴和导流管。