[发明专利]一种冷喷涂固态增材制造纳米结构铜基双金属复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种冷喷涂固态增材制造纳米结构铜基双金属复合材料的方法，首先将Cu粉和与Cu组成互不固溶体系的金属粉末按照一定比例配成混合粉末并用高能球磨设备进行机械合金化；其次采用冷喷涂工艺，制备具有复杂内部结构和形状的零部件或回转体，再对预制态的部件进行真空下的热处理。将为具有复杂构型的纳米结构铜基双金属零部件或回转体的增材制造提供了一种新的方法，并且材料内部孔隙率低、组织致密、拥有纳米结构，制备成本低，工艺流程简单，沉积速度快，生产周期短，解决了现有制备工艺无法获得具有纳米结构的复杂构型零部件的问题。

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种冷喷涂固态增材制造纳米结构铜基双金属复合材料的方法。

背景技术

当前，由互不固溶体系组成的纳米结构材料因其结构的特殊性受到广泛关注，是开发新型抗辐照材料的主要方向。以纳米多层膜为代表的纳米结构材料，通过使单个金属层的厚度降低至纳米尺寸显著增加了异质金属之间的界面，具有高体积分数的异质金属相界可作为辐照诱发点缺陷的“有效吸收陷阱”，促进间隙原子和空位的愈合，降低材料内部辐照缺陷的聚集，因此有着优异的抗辐照性能。互不相溶体系中的组元之间固溶度很小，在受到辐照和高温时不易发生扩散或合金化，具有极高的稳定性，因而在未来新一代反应堆材料的应用中具有很大潜力。

但是纳米多层膜也有明显的缺点：只能制作薄膜或板材，现有技术缺少制备出具有复杂构型的零部件的方法，严重限制了此材料在工业上的应用。当前纳米多层膜的主流制备工艺为磁控溅射技术和累积叠轧技术，不仅制备过程繁琐、效率低，而且产品的尺寸和形状有限，无法进行后续的机械加工获得零部件。

以激光、等离子、电弧等高能束为代表的增材制造技术可以快速制备出具有目标构型的金属零部件。但上述常规的增材制造技术中，均存在熔融并冷却的过程，由于互不固溶体系的金属组分熔点、密度不同，不仅制备的材料缺少纳米尺度界面，也无法获得类似多层膜的层状交替结构，即使初始粉末原料中存在纳米尺度的异质金属交替分布特征，粉末熔化后，由于异质金属间不互溶、密度差异大，也会发生两种金属的分离，难以获得两相交替分布的结构。

机械合金化是制备纳米结构复合粉末的有效方法，可以使粉末内部出现明显的交替分布结构，在机械合金化过程中随着异质金属粉末的不断焊合与破碎，金属相尺寸逐渐减小，金属晶粒尺寸细化，在优化的机械合金化参数条件下有望获得具有纳米结构的异质金属交替分布结构。当粉末中的冷焊与断裂随着球磨时间的增加达到动态平衡时，得到的粉末粒径尺寸大小将稳定不变，而且满足冷喷涂对粉末粒径的要求。作为近年来发展迅速的增材制造技术，冷喷涂因其低温固态沉积、产品外形不受限制、喷涂过程中不发生相变和晶粒长大等的特点，已经被用来制备具有复杂构型的零部件。

冷喷涂低温固态沉积的特点可以将粉末中的纳米结构移植到构件中，这为纳米结构材料的增材制造提供了可能。但是目前增材制造方法仍不能获得由不互溶体系材料组成的、内部存在纳米结构的异质金属相界面的复合材料。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种冷喷涂固态增材制造纳米结构铜基双金属复合材料的方法，能够解决现有制备工艺无法获得由不互溶体系材料组成的、内部存在纳米结构的异质金属相界面的复合材料的技术难题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种冷喷涂固态增材制造纳米结构铜基双金属复合材料的方法，包括以下步骤：

步骤一，将Cu粉和与Cu组成互不固溶体系的金属粉末进行配比后，在惰性气体保护下通过机械合金化处理，制得合金粉末；

步骤二，采用冷喷涂工艺，以步骤一制得的合金粉末为喷涂原料，喷涂制备具有复杂内部结构和形状的零部件；

步骤三，对预制态的具有复杂内部结构和形状的零部件进行真空下的热处理，温度在200℃～600℃之间，处理2小时，使沉积体内存在的非晶相晶化，消除沉积体内的残余应力，制得纳米结构铜基双金属复合材料。