用于高温航空航天应用的3D打印铜基合金类别及前瞻性研究

| 3DScienceValley · 2024/02/21

谷专栏

航空航天工业需要高性能耐磨、耐磨损合金，这引起了人们对铜基材料的越来越多的关注。这些材料因其优异的导热性和令人满意的高温强度而有望用于航空高温应用，以及轴承和阀门等低温应用。

GRCop、GlidCop 和 CuCrZr 系列是这方面最常用的合金，尽管使用这些合金制造的组件的复杂形状和设计带来了巨大的制造挑战。然而，增材制造技术的最新进展使得能够以合理的成本和时间生产复杂形状和设计的航空航天部件。

本期，结合加拿大达尔豪斯大学机械工程系发表的《Alloys for High-temperature Aerospace Applications: A Review》，一文，3D科学谷与谷友一起领略航空航天工业铜基合金增材制造工艺的技术进展，以及铜基合金增材制造前瞻性研究的几个领域。

▲论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352492824003751
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出色的铜合金

铜基合金，具有出色的耐磨性和耐磨损性以及高比强度，使其特别适合各种航空航天应用。与钢等替代金属材料相比，某些铜基合金不产生火花，这是用于有火花可能引发火灾或爆炸的环境（例如靠近燃料源的环境）的一个关键优势。这一特性也强化了铜基合金在磨损表面、轴承应用甚至结构部件中的适用性。

对于铜基合金在飞机中的室温应用，典型的轴承合金包括铍铜和含有主要添加物（例如 Ni、Al、Si、Mn、Pb 和/或 Sn）的青铜。这些合金表现出优异的强度，可以承受重载，同时其固有的耐磨损性可以在重复装卸过程中提供保护，防止损坏，特别是在着陆操纵过程中。在这种情况下，它们的用途扩展到阀门、需要高速和重负载的应用以及飞机着陆设备。

此外，铜基合金在再生冷却火箭发动机中发挥着重要作用，特别是在航天器的燃烧室衬里中。在这种苛刻的环境中，它们暴露在极高的温度和相对较高的压力下。CuZr、CuCr、CuCrZr、沉淀硬化 (PH) CuCrNb 和 NARloy-Z 等合金由于其出色的导热性和令人满意的高温强度而成为这些高温应用的有前途的候选材料。

PH CuCrNb 合金（称为格伦研究铜 (GRCop) 系列）的卓越性能归因于 Cr2Nb 相的存在。这些合金已被开发为高热通量应用中传统材料的有前景的替代品。它们具有出色的抗氧化/热变性、良好的高温机械性能和低热膨胀（即降低热引起的残余应力和疲劳失效），使其适用于广泛的应用。

GlidCop 系列由 Glidden Metals 开发，属于氧化物弥散强化铜合金 (ODS-Cu) 类别。这些合金通过内部氧化引起的细小氧化铝颗粒的分散来实现其强度。虽然这种分散体提高了强度，但它会稍微恶化热性能和电性能。

铜合金C-18150是一种沉淀硬化型CuCrZr合金，具有高强度、高导电性、导热性和耐磨性。它已成为航空航天工业中大推力火箭燃烧室的合适材料。该合金的高强度是通过固溶体中的铬（Cr）以及时效过程中Cu5Zr或Cr2Zr的沉淀来实现的。

研究结果表明，PBF粉末床金属熔融3D打印是用于组件制造的主要增材制造技术。然而，使用其他方法的趋势日益明显，例如 DED直接能量沉积和冷喷涂增材制造 (CSAM)。

挑战

在铜基合金增材制造中，经常遇到与散热和激光反射相关的挑战。一个具体问题是 Cr 和 Nb 在熔融 Cu 溶液中的溶解度较低，导致 GRCop 类中 Cr2Nb 沉淀。这种沉淀会对打印产品的特性产生重大影响。气雾化GRCop粉末的尺寸直接影响沉淀物的尺寸，沉淀物的特性可以通过工艺参数来控制。此外，GlidCop合金粉末表面氧化膜的存在使其加工具有挑战性，从而阻碍了该领域的进一步研究。

后处理处理对于提高铜基合金的性能起着至关重要的作用。HIP 已被认为是消除孔隙和改变结构特征的有效方法，从而提高合金的整体性能和性能。此外，采用优化的热处理参数可以进一步提高合金的所需性能。在表面改性方法方面，建议利用 GRCop 合金的化学蚀刻优化持续时间，以实现最佳的表面光洁度。这种实用的方法可以帮助获得所需的表面特性并确保打印组件的整体质量。

增材制造领域的快速发展给增材制造零部件建立标准化认证流程带来了挑战。虽然一些通用 ISO 和 ASTM 标准可能适用，但航空航天部件的认证需要针对该行业量身定制的特定标准。目前，已采用多种技术来验证增材制造的铜基部件在航空航天工业中的使用，包括热火测试、辐照测试和自相似离子辐照。这些技术提供了宝贵的见解和评估方法，以确保航空航天应用中增材制造部件的质量和可靠性。

建议

1.考虑到原料粉末材料对沉淀硬化铜合金零件性能的显着影响，有必要优先考虑粉末特性的优化，例如颗粒尺寸、析出物尺寸和析出物分布。通过关注这些方面，可以提高制造部件的整体质量和性能。

2.使用 GlidCop 粉末遇到的主要问题与颗粒表面存在氧化铜膜有关。解决这一问题对于充分释放这些合金在航空航天应用中的潜力至关重要。通过开发有效的策略来减少氧化膜，可以最大限度地提高 GlidCop 合金的可靠性和功能性，从而使其能够在关键航空航天部件中得到更广泛的应用。

3.增材制造铜合金的生产通常通过 PBF 粉末床熔融3D打印技术来实现。然而，建议探索替代制造技术，例如电弧增材制造 (WAAM)，与 PBF 粉末床熔融3D打印方法相比，该技术可提供显着更高的生产率。为了利用 WAAM 的优势，必须开发和优化特定于该方法的流程参数。

4.增材制造技术的快速发展需要结合3D打印后处理工艺的发展。因此，有必要将热处理和表面精加工步骤结合到最近开发的技术（例如 DED）中。

5.通过铜合金制造功能梯度材料，能够将铜合金的高导热性与其他合金（例如镍基材料）的卓越强度特性相结合。所得组件将具有高导热性和高温强度的理想组合，这使得它们对于各种航空航天应用非常有利。

6.许多研究都集中在研究增材制造的工艺参数、微观结构和性能。然而，到目前为止，构建方向对 CuCrZr 合金的影响还没有受到足够的关注。构建方向在增材制造中起着关键作用，因为它可以显着影响制造零件的最终性能。此外，航空航天领域的使用环境也会显着影响铜基材料的使用寿命。因此，有必要全面评估构建方向和热处理对增材制造CuCrZr合金显微组织和性能的影响。

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