CN111334729A - 一种高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材及其制备方法 - Google Patents

一种高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金制的制备方法。该方法首先进行高温固溶处理，将镍铝青铜合金原始材料在920℃～950℃保温处理1～2h，控制高温组织为Cu3Al基β相固溶体及较少量细小的k析出相。之后依次进行强变形对称连续热轧制，小变形非对称中温轧制，变形后在700℃～800℃进行短时热处理。经不同热处理工艺后，得到的组织均为等轴状的面心立方Cu基固溶体α相、Cu3Al基马氏体β'相双相结构，以及弥散分布的金属间化合物k相。各相的比例和晶粒尺寸可根据轧制和热处理工艺进行调控，以得到适应不同工作场景的力学性能和物理化学性能。α相和β'相的晶粒尺寸可细化至300nm左右。材料α相中退火孪晶界占全部界面比例可达30％～80％，孪晶片层宽度在30nm～300nm。材料具备不低于800MPa的屈服强度，抗拉强度可达1150MPa，断裂延伸率不小于14％。与现有的技术相比，本发明方法可大幅度提高镍铝青铜合金的综合力学性能，且工艺简单、易于实施、生产成本低，可以实现大批量块体材料的制备。

Description

一种高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材及其制备方法
技术领域
本发明属于铜合金材料加工技术领域，具体涉及到一种高强度高塑性镍铝青铜合金板材及其制备方法。
背景技术
相比于传统的二元铝青铜合金，由于铁、镍等合金元素的加入，镍铝青铜合金的强度、耐磨性和耐腐蚀性获得了进一步的提升。作为一种铜基合金结构材料，镍铝青铜在导电、导热、耐蚀等方面有着传统钢铁材料无法取代的优良表现。目前，镍铝青铜合金已广泛应用在航空工业、海洋工业的螺旋桨、推进器、阀门等重要部件，也可用来制作在复杂条件下工作的高强度耐磨零件，如齿轮、轴套、涡轮等。此外，镍铝青铜合金在防爆器、形状记忆合金及海水淡化等领域也具有广泛的应用前景。
同时提高材料的强度和塑性是长期以来结构材料性能提升相关研究的主要目标。针对这一目标，通过强变形后热处理获得均匀的、细化的显微组织是在学术界和工业生产中广泛实践并获得认可的可靠方案。相比等通道转角挤压、高压扭转等强塑性变形手段，强变形轧制具有生产成本低、生产设备资源多、易于制备大型块体材料等不可替代的优点。但美中不足的是，仅仅依靠强变形轧制很难得到大量的高角度晶界，通过强变形轧制所获得的低角度晶界对材料的塑性提升效果有限。通常需要合适的热处理工艺使强变形过的材料获得大量的高角度晶界，从而达到高水平的综合力学性能。(参见文献Progress inMaterials Science,94(2018)462-540；45(2000)103-189.)目前针对制备大型块体高强度镍铝青铜的专利报道较少。专利CN104862522A中公开了一种硬度可达460HV的镍铝青铜合金，但几乎无塑性。CN109136804A公布了一种依托强变形轧制获得高强韧铝青铜合金的制备方法，可将铸态镍铝青铜合金的屈服强度大幅提高，抗拉强度接近1100MPa，断裂延伸率接近8.5％。但该合金的等效变形量并未接近极限，也未实施后续的热处理工艺获得高角度晶界，且所获得的力学性能区间较窄，难以满足多变的应用场景的用材需求。
相比于常规的高角度晶界，超细的退火孪晶界面在提高材料强度塑性方面有着更好的效果。作为一种高度共格的界面，退火孪晶界的界面储存能较高角度晶界低一个数量级。一方面，超细的退火孪晶界可将原始晶粒分成多个区域，起到细晶强化的作用。有研究报道，可将铜合金中的纳米孪晶片层间距视作等效晶粒尺寸。(参见文献Acta Materialia,54(2006)5421-5432.)在原始晶粒中引入高密度超细的退火孪晶界面可以在一定程度上补偿在因退火过程中晶粒长大而减弱的晶粒细化效果。另一方面，退火孪晶具备很强的阻碍位错运动能力和位错吸收能力，可以同时强化材料的强度和塑性。通过强变形最大程度地细化组织，保留组织中的空位、位错等微观缺陷，以提供再结晶驱动力，在短时间内获得大量的高角度结晶。同时通过控制热处理时间及引入超细的高密度退火孪晶界面最大程度地保留细化晶粒效果。这为制备探究金属材料的综合力学性能极限提供了理论依据。目前，依托形变热处理引入高密度超细退火孪晶从而提升材料综合力学性能在镍铝青铜合金中鲜有应用。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的缺陷，从节约实际工业生产成本、探索材料综合力学性能极限出发，提供了一种通过强变形轧制后热处理引入了高密度纳米孪晶界面的高性能镍铝青铜合金板材的制备办法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)高温固溶处理：将镍铝青铜合金原料置于920℃～950℃的热处理炉中保温30min～1h，获得第一半成品板材；
(2)强变形对称连续热轧制：将步骤(1)中经固溶处理后得到的第一半成品板材在空气中短时间待温后，送入轧机中，进行强变形对称连续热轧制处理。对称轧制的总压下量为75％～80％，轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，终轧温度不低于650℃，得到第二半成品板材；
(3)小变形非对称中温轧制：将步骤(2)中对称连续热轧制处理后得到的第二半成品板材立即送入轧机中，进行小变形非对称中温轧制处理。板材上下表面的轧辊的线速度比为1.5～2.5：1，非对称轧制的总压下量为10％～15％，轧辊初始温度为室温，终轧温度不低于600℃，轧制后立即淬火至室温，得到第三半成品板材；
(4)变形后热处理：将步骤(3)处理后得到的第三半成品板材进行中温短时热处理，热处理温度为700℃～800℃，保温时间为30s～5min，保温后立即进行淬火处理，获得高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材；
步骤(1)中所述的镍铝青铜合金原料的状态包括铸态、轧制态、热锻态、热挤压态、退火态、固溶(淬火)时效态。为精确控制轧制压下量，使板材组织、性能均匀，原料的厚度应不小于10mm。
步骤(1)中所述的第一半成品板材组织包括由Cu3Al基β相固溶体及较少量细小的k析出相。k相最大晶粒尺寸不超过1μm。
步骤(2)中所述的待温时间为10s～20s。
步骤(2)中所述的强变形对称连续热轧制采用3道次大压下量，其中第一道次下压量为50％，后两道次的下压量分别为20％、10％。轧制过程总用时不超过30s。
步骤(2)所述的强变形对称连续热轧制所用板材初始温度为800℃～850℃，终轧温度为630～650℃，基体中含有高密度变形孪晶。
步骤(3)所述的小变形非对称中温轧制采用单道次轧制。轧制用时不应超过10s。
步骤(3)所述的淬火处理使用的淬火介质为自来水、NaCl水溶液、锭子油等工业常用淬火介质。
步骤(3)所述的第三半成品板材组织为超细的片层状分布的(α+β')相混合物，片层内与片层间界处弥散分布着细小的金属间化合物k相。
步骤(4)中所述的热处理装置为盐浴炉。
步骤(4)所得高强度高塑性镍铝青铜合金板材的组织为等轴状的面心立方Cu基固溶体α相、Cu3Al基马氏体β'相双相结构，以及弥散分布的金属间化合物k相。
步骤(4)所述的退火处理后，基体α相中含有高密度的纳米尺度的退火孪晶。
步骤(4)所得高强度高塑性镍铝青铜合金板材的屈服强度不小于800MPa，断裂延伸率不小于14％。
本发明选取初始厚度大于10mm的普通镍铝青铜合金为原料，采用高温固溶处理使铁、镍元素融入基体，控制析出相比例及晶粒尺寸。后一次采用强变形对称连续热轧制、小变形非对称中温轧制，最大程度地细化晶粒尺寸，在组织中保留高密度缺陷和高水平变形储能。这些均匀分布的微观缺陷将和轧制过程中析出的超细的、弥散的析出相一起成为后续热处理过程中新晶粒和退火孪晶的有效形核点。高密度的形核点有助于晶粒和纳米孪晶的细化。同时，在强变形中引入的高水平变形储能将为再结晶和退火孪晶的生长提供热力学支持，使高密度的超细新晶粒和退火孪晶能在短时间内完成生长，热处理时间的减短将会抑制新晶粒的长大。高密度退火孪晶界所发挥的细化晶粒作用使中温短时退火后的晶粒细化水平不亚于热处理之前，同时获得了大量的强化效果更优异的高角度晶界。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明方法制备的高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材晶粒尺寸细小，组织均匀。退火孪晶尺寸可达纳米级，纳米孪晶界面占比可高达80％。本制备方法大幅提高了现有的镍铝青铜合金综合力学性能，制备的合金板材的屈服强度不小于800MPa，抗拉强度可高达1150MPa，断裂延伸率不小于14％。
2.本发明采取工业生产中常用的轧制和热处理工艺，取得了300nm～500nm超细晶的组织细化水平。相较于传统的强烈塑性变形技术，本方法克服了模具和产品尺寸的限制，不需要专门设计模具，改进装置，可直接运用于常规工业化生产，制备大型块体材料。此外，本方法采取的轧制和热处理工艺流程简单，生产成本低。
3.本发明公布的热处理工艺参数有一定变化范围，可根据热处理工艺参数调控材料显微组织。通过改变热处理温度和保温时间，材料α相中退火孪晶界占全部界面比例可控制在30％～80％，β'相的比例可根据可控制在8％～46％。通过对显微组织的调控，可使材料具备不同的物理化学性能(如耐腐蚀性、导电性)。同时，材料的加工硬化能力、屈服强度、抗拉强度也有一定的变化空间。这些都使材料的应用场景更加丰富。同一批轧料的多场景应用对于在实际工业生产中降低总成本意义重大。
附图说明
图1为本发明制备的高性能镍铝青铜合金的典型显微组织照片；
图2为本发明制备的高性能镍铝青铜合金中高密度纳米孪晶的TEM照片；
图3为本发明制备的高性能镍铝青铜合金板材的拉伸力学性能曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种铸态镍铝青铜为原料制备高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材的步骤如下：
步骤一、高温固溶处理：将初始厚度为30mm的铸态镍铝青铜合金置于930℃的热处理炉中保温1h，加热介质为空气。获得均匀的第一半成品板材，所得组织为Cu3Al基β相固溶体及较少量细小的k析出相；
步骤二、强变形对称连续热轧制：经步骤一固溶处理后得到的第一半成品板材在空气中待温15s后，送入轧机中，进行强变形对称连续热轧制处理。对称轧制的总压下量为24mm，分三道次，每道次的压下量分别为15mm、6mm、3mm。轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，终轧温度为670℃，得到第二半成品板材；
步骤三、小变形非对称中温轧制：将步骤(2)中对称连续热轧制处理后得到的第二半成品板材立即送入轧机中，进行小变形单道次非对称中温轧制处理。板材上下表面的轧辊的线速度比为1.5：1，非对称轧制的总压下量为12％，轧辊初始温度为室温，终轧温度为620℃，轧制后立即淬火至室温，得到第三半成品板材，其显微组织为超细的片层状分布的(α+β')相混合物，片层内与片层间界处弥散分布着细小的金属间化合物k相；
步骤四、变形后热处理：将步骤(3)处理后得到的第三半成品板材在盐浴炉中进行中温短时热处理，热处理温度为800℃，保温时间为2min，保温后立即进行淬火处理，获得高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材。板材样品经扫描电镜分析所得的典型组织照片见附图1，内部为等轴状的面心立方Cu基固溶体α相、Cu3Al基马氏体β'相双相结构，以及弥散分布的金属间化合物k相，三相的体积比例约为61：27：12；板材的抗拉强度超过1150MPa，屈服强度超过820MPa，断裂延伸率接近14.3％。
实施例2
一种针对耐腐蚀工况所制备高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材的步骤如下：
步骤一、高温固溶处理：将初始厚度为60mm的铸态镍铝青铜合金置于950℃的热处理炉中保温40min，加热介质为空气。获得均匀的第一半成品板材，所得组织为Cu3Al基β相固溶体；
步骤二、强变形对称连续热轧制：经步骤一固溶处理后得到的第一半成品板材在空气中待温20s后，送入轧机中，进行强变形对称连续热轧制处理。对称轧制的总压下量为48mm，分三道次，每道次的压下量分别为30mm、12mm、6mm。轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，终轧温度为690℃，得到第二半成品板材；
步骤三、小变形非对称中温轧制：将步骤(2)中对称连续热轧制处理后得到的第二半成品板材立即送入轧机中，进行小变形单道次非对称中温轧制处理。板材上下表面的轧辊的线速度比为2.5：1，非对称轧制的总压下量为10％，轧辊初始温度为室温，终轧温度为630℃，轧制后立即淬火至室温，得到第三半成品板材，其显微组织为超细的片层状分布的(α+β')相混合物，片层内与片层间界处弥散分布着细小的金属间化合物k相；
步骤四、变形后热处理：将步骤(3)处理后得到的第三半成品板材盐浴炉中进行中温短时热处理，热处理温度为700℃，保温时间为5min，保温后立即进行淬火处理，获得高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材。板材内部组织为等轴状的面心立方Cu基固溶体α相、Cu3Al基马氏体β'相双相结构，以及弥散分布的金属间化合物k相，三相的体积比例约为79：6：15；板材的抗拉强度超过930MPa，屈服强度超过860MPa，断裂延伸率接近18％。由于组织细化及β'相含量大幅降低，耐腐蚀性能优异。
实施例3
一种高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材的制备方法，其步骤与实施例2基本相同，不同之处在于，步骤四中中温短时热处理的时间调整至2.5min。所得板材的抗拉强度超过1020MPa，屈服强度超过890MPa，断裂延伸率超过15％。该板材所获得的高密度纳米孪晶的TEM显微组织如附图2中所示。
实施例4
一种高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材的制备方法，其步骤与实施例2基本相同，不同之处在于，步骤二中中温短时热处理的温度调整至750℃。所得板材的抗拉强度超过1100MPa，屈服强度超过800MPa，断裂延伸率超过14％。
实施例5
一种针对耐磨工况的高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤四中所得成品板材继续在350℃时效热处理2h。所得的板材组织为等轴状的面心立方Cu基固溶体α相、Cu3Al基马氏体β'相双相结构，以及大量的弥散分布的金属间化合物k相。
实施例6
一种高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材的制备步骤如下：
步骤一、高温固溶处理：将初始厚度为30mm的热轧态镍铝青铜合金置于950℃的热处理炉中保温30min，加热介质为空气。获得均匀的第一半成品板材；
步骤二、强变形对称连续热轧制：经步骤一固溶处理后得到的第一半成品板材在空气中待温20s后，送入轧机中，进行强变形对称连续热轧制处理。对称轧制的总压下量为24mm，分三道次，每道次的压下量分别为15mm、6mm、3mm。轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，终轧温度为650℃，得到第二半成品板材；
步骤三、小变形非对称中温轧制：将步骤(2)中对称连续热轧制处理后得到的第二半成品板材立即送入轧机中，进行小变形单道次非对称中温轧制处理。板材上下表面的轧辊的线速度比为2：1，非对称轧制的总压下量为14％，轧辊初始温度为室温，终轧温度为610℃，轧制后立即淬火至室温，得到第三半成品板材，其显微组织为超细的片层状分布的(α+β')相混合物，片层内与片层间界处弥散分布着细小的金属间化合物k相；
步骤四、变形后热处理：将步骤(3)处理后得到的第三半成品板材在盐浴炉中进行中温短时热处理，热处理温度为800℃，保温时间为1min，保温后立即进行淬火处理，获得高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材。板材样品经扫描电镜分析所得的典型组织照片见附图1，内部为等轴状的面心立方Cu基固溶体α相、Cu3Al基马氏体β'相双相结构，以及弥散分布的金属间化合物k相；板材的拉伸性能曲线如附图3中所示。
实施例7
一种高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材的制备步骤如下：
步骤一、高温固溶处理：将初始厚度为40mm的热锻态镍铝青铜合金置于920℃的热处理炉中保温30min，加热介质为空气。获得均匀的第一半成品板材；
步骤二、强变形对称连续热轧制：经步骤一固溶处理后得到的第一半成品板材在空气中待温20s后，送入轧机中，进行强变形对称连续热轧制处理。对称轧制的总压下量为32mm，分三道次，每道次的压下量分别为20mm、8mm、4mm。轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，终轧温度为670℃，得到第二半成品板材；
步骤三、小变形非对称中温轧制：将步骤(2)中对称连续热轧制处理后得到的第二半成品板材立即送入轧机中，进行小变形单道次非对称中温轧制处理。板材上下表面的轧辊的线速度比为1.8：1，非对称轧制的总压下量为10％，轧辊初始温度为室温，终轧温度为620℃，轧制后立即淬火至室温，得到第三半成品板材，其显微组织为超细的片层状分布的(α+β')相混合物，片层内与片层间界处弥散分布着细小的金属间化合物k相；
步骤四、变形后热处理：将步骤(3)处理后得到的第三半成品板材在盐浴炉中进行中温短时热处理，热处理温度为700℃，保温时间为5min，保温后立即进行淬火处理，获得高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材。板材样品经扫描电镜分析所得的典型组织照片见附图1，内部为等轴状的面心立方Cu基固溶体α相、Cu3Al基马氏体β'相双相结构，以及弥散分布的金属间化合物k相；板材的拉伸性能曲线如附图3中所示。
实施例8
一种用于冲击极高强度镍铝青铜合金的高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材的制备方法，其步骤与实施例7基本相同，不同之处在于，步骤四中中温短时热处理的温度调整至800℃。所得板材的抗拉强度超过1150MPa，屈服强度接近750MPa，断裂延伸率接近20％。

Claims (13)

1.一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)高温固溶处理：将镍铝青铜合金原料置于920℃～950℃的热处理炉中保温30min～1h，获得第一半成品板材；
(2)强变形对称连续热轧制：将步骤(1)中经固溶处理后得到的第一半成品板材在空气中短时间待温后，送入轧机中，进行强变形对称连续热轧制处理。对称轧制的总压下量为75％～80％，轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，终轧温度不低于650℃，得到第二半成品板材；
(3)小变形非对称中温轧制：将步骤(2)中对称连续热轧制处理后得到的第二半成品板材立即送入轧机中，进行小变形非对称中温轧制处理。板材上下表面的轧辊的线速度比为1.5～2.5：1，非对称轧制的总压下量为10％～15％，轧辊初始温度为室温，终轧温度不低于600℃，轧制后立即淬火至室温，得到第三半成品板材；
(4)变形后热处理：将步骤(3)处理后得到的第三半成品板材进行中温短时热处理，热处理温度为700℃～800℃，保温时间为30s～5min，保温后立即进行淬火处理，获得高密度纳米孪晶高性能镍铝青铜合金板材。
2.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的镍铝青铜合金原料的状态包括铸态、轧制态、热锻态、热挤压态、退火态、固溶(淬火)时效态。为精确控制轧制压下量，使板材组织、性能均匀，原料的厚度应不小于10mm。
3.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的第一半成品板材组织包括由Cu3Al基β相固溶体及较少量细小的k析出相。k相最大晶粒尺寸不超过1μm。
4.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的待温时间为10s～20s。
5.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的强变形对称连续热轧制采用3道次大压下量，其中第一道次下压量为50％，后两道次的下压量分别为20％、10％。轧制过程总用时不超过30s。
6.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的强变形对称连续热轧制所用板材初始温度为800℃～850℃，终轧温度为630～650℃，终轧后的基体的组织中含高密度有变形孪晶。
7.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的小变形非对称中温轧制采用单道次轧制，轧制用时不应超过10s。
8.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的淬火处理使用的淬火介质为自来水、NaCl水溶液、锭子油等工业常用淬火介质。
9.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的第三半成品板材组织为超细的片层状分布的(α+β')相混合物，片层内与片层间界处弥散分布着细小的金属间化合物k相。
10.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的热处理装置为盐浴炉。
11.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)所得高强度高塑性镍铝青铜合金板材的组织为等轴状的面心立方Cu基固溶体α相、Cu3Al基马氏体β'相双相结构，以及弥散分布的金属间化合物k相。
12.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于经过步骤(4)退火处理后，基体α相中含有高密度的纳米尺度的退火孪晶。
13.根据权利要求1所述的一种纳米孪晶高性能镍铝青铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)所得高强度高塑性镍铝青铜合金板材的屈服强度不小于800MPa，断裂延伸率不小于14％。
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