CN112522534A - 一种含有共晶组织的铜钛合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种含有共晶组织的铜钛合金及其制备方法，合金按质量百分比由以下组分制备而成：Cu粉：40％～55％，Ti粉：45％～60％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％。制备时，按合金组分形成混合物料后，高温真空炉以8‑10℃/min的速率，由室温升温至1000‑1100℃，保温30‑40min，然后在900‑910℃保温30‑40min，待高温真空炉冷却到室温后，取出，制得含有共晶组织的铜钛合金。该方法工艺简单，获得的共晶组织是由CuTi和CuTi₂两种金属间化合物组成，具有较高的室温断裂韧性，高达30‑37MPa·m^1/2。

Description

一种含有共晶组织的铜钛合金及其制备方法

技术领域：

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种含有共晶组织的铜钛合金及其制备方法。

背景技术：

铜是电导率仅次于银的金属，而且价格更低，但纯铜的力学性能较差。钛及其合金的比强度高、耐热性和耐蚀性好等优异的性能被作为现代航空航天工业中不可缺少的结构材料。一般来说，通常采用合金化、热处理、大变形等方法提高合金的力学性能。铜钛合金生产过程中无有毒物质产生，绿色环保，可用于钎焊陶瓷间和陶瓷-金属间的钎料，作为结构材料，具有较高的强度、硬度和弹性，以及良好的耐热性、耐疲劳性、耐蚀性等；作为生物材料，生物相容性好，还可起到抗菌的作用。作为承重部位的结构件，疲劳强度是重要指标，提高材料的抗疲劳性能对提高零件服役寿命尤为重要。一般而言，材料的抗拉强度越高，其疲劳强度也越高。钛含量低于6.1at％时的铜钛合金属于时效强化合金，可通过热处理的方式调控Cu₄Ti相进一步调控合金的综合性能，该成份范围内的合金具有较好的力学性能。但是，此时合金的主要相组成是钛原子固溶在铜基体中，会增加电子散射，明显降低合金的电导率。

现有的铜钛合金研究中，大部分集中在铜的固溶体和钛的固溶体的研究，对铜钛形成的金属间化合物的研究相对较少。金属间化合物中的金属原子在相互结合时，能形成金属键、离子键和共价键，表现出长程有序的特性，正是由于其独特的成键特性使得金属间化合物具有熔点高、密度低、优异的抗氧化、抗腐蚀等性能。相关研究表明，铜钛合金的所有金属间化合物中，CuTi和CuTi₂可以提高钎焊材料的剪切强度，CuTi有很强的机械性能，CuTi₂具有较高的硬度。众所周知，微观组织决定合金性能，在合金的各种微观组织中，共晶组织是近乎平衡态组织可以承受住高达共晶点的温度，是一种良好的高温合金替代品，通常，共晶组织具有非常细小的组织结构，且共晶组织内部各相彼此交错嵌套构成网络结构，导致这类材料表现出表现出优异的力学性能，还具有许多其他优异的特性：(1)良好的流动性，减少铸造缺陷；(2)可控的微观组织；(3)良好的抗高温蠕变性能等。

鉴于以上所述，制备室温组织为CuTi和CuTi₂的铜钛合金并在此基础上，通过调控两相的含量、尺寸、微观形貌等获得的铜钛合金，或获得具有更加优异的综合性能的铜钛合金。

发明内容：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种含有共晶组织的铜钛合金及其制备方法。该合金是一种由两种金属间化合物形成的含共晶组织的合金。本发明采用的是铜粉和钛粉制备含共晶组织的铜钛合金，最高的加热温度为1100℃，由于铜粉的熔点约为1086℃，钛粉的熔点约为1670℃，本发明中所涉及的合金是通过固(钛粉)液(铜)扩散的方式形成了含有CuTi相和CuTi₂相的共晶组织，当铜粉全部融化为液态时，钛粉被液态的铜包裹，同时形成CuTi和CuTi₂交替生长的网格状共晶组织，反应方程式为:L→CuTi+CuTi₂。本发明中采用两种纯金属粉末为原料，可以保证在高温下两种粉末充分扩散。此外，原料全部为所需要的两种金属，不会有多余的杂质、气孔等产生；保温时间为30min，可以有充分的时间完成固液扩散并形核。综上所述，此种方法制备的共晶合金组织成份均匀，原料利用率高，气孔等缺陷少，综合性能优异，特别是具有优异的室温断裂韧性，室温断裂韧性为30-37MPa·m^1/2。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种含有共晶组织的铜钛合金，按质量百分比由以下组分制备而成：Cu粉：40.0％～55％，Ti粉：45％～60％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％。

所述的Cu粉粒度为300目，Ti粉粒度为250目。

所述的含有共晶组织的铜钛合金室温断裂韧性为30-37MPa·m^1/2。

所述的铜钛合金的室温组织为CuTi和CuTi₂两种金属间化合物组成的共晶组织。

所述的含有共晶组织的铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，混料：

按照一种铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉用三维混料机混合1小时，制得混合料A；

步骤2，准备熔炼：

将混合料A放入直径40mm，高度50mm氧化锆坩埚中，将氧化锆坩埚放入高温真空炉中熔炼，炉内真空度为1.0×10^-3Pa；

步骤3，熔炼：

以8-10℃/min的速率，由室温升温至1000-1100℃，保温30-40min，然后在900-910℃保温30-40min，待高温真空炉冷却到室温后，取出，制得含有共晶组织的铜钛合金。

本发明的一种铜钛合金，与现有铜钛合金相比，有益效果为：

(1)本发明制备的铜钛合金具有较高的室温断裂韧性，综合性能优异。

(2)本发明是通过固液扩散形成的铜钛二元共晶合金，制备过程操作简单，加热温度低，节约成本。

(3)本发明的铜钛合金具有室温下的共晶组织，且共晶组织是由CuTi和CuTi₂两种金属间化合物组成。

附图说明：

图1为本发明实施例1制备的铜钛合金的室温SEM图；

图2为本发明实施例2制备的铜钛合金的室温SEM图；

图3为本发明实施例3制备的铜钛合金的室温SEM图；

图4为本发明对比例1-1制备的铜钛合金的室温SEM图；

图5为本发明对比例3-2制备的铜钛合金的室温SEM图；

图6为本发明对比例3-3制备的铜钛合金的室温SEM图。

具体实施方式：

下面结合具体实施案例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实例。

实施例1

一种铜钛合金，铜钛合金按质量百分比由以下组分制备而成：Cu粉：52.5％，Ti粉47.5％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％。

所述的Cu粉为300目，Ti粉为250目。

所述的一种铜钛合金的室温组织为两种铜钛金属间化合物组成的亚共晶合金，室温断裂韧性为32MPa·m^1/2。

上述的铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，混料：

按一种铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉用三维混料机混合均匀，混合时间为1小时，得到混合料A；

步骤2，准备熔炼：

将40g混合料A放入直径40mm，高度50mm氧化锆坩埚中，将氧化锆坩埚放入高温真空炉中熔炼，炉内真空度为1.0×10^-3Pa。

步骤3，熔炼：

从室温开始，以10℃/min的速率升温至1100℃，并保温30min，然后在910℃保温30min，待高温真空炉冷却到室温后，取出，制得含有共晶组织的铜钛合金，室温SEM图如图1所示，可见为CuTi和CuTi₂相互交织形成的共晶组织。

对比例1-1

同实施例1，区别在于，制备工艺上将“1100℃保温30min”调整为“1150℃保温60min”，制备的铜钛合金室温SEM图如图4所示，可见，多边形CuTi₂晶粒分散在CuTi相中，并无相互交织的共晶组织出现，经检测，制备的铜钛合金室温断裂韧性为20MPa·m^1/2。

对比例1-2

同实施例1，区别在于，合金成分调整为“Cu粉：57％，Ti粉43％”。室温组织为CuTi、CuTi₂和Cu₄Ti₃组成的铜钛合金。经检测，制备的铜钛合金室温断裂韧性为27MPa·m^1/2。

实施例2

一种铜钛合金，铜钛合金按质量百分比由以下组分制备而成：Cu粉：50.0％，Ti粉50.0％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％。

所述的Cu粉为300目，Ti粉为250目。

所述的一种铜钛合金的室温组织为两种铜钛金属间化合物组成的共晶合金，室温断裂韧性为37MPa·m^1/2。

上述的铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，混料：

按一种铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉用三维混料机混合均匀，混合时间为1小时，得到混合料A；

步骤2，准备熔炼：

将40g混合料A放入直径40mm，高度50mm氧化锆坩埚中，将氧化锆坩埚放入高温真空炉中熔炼，炉内真空度为1.0×10^-3Pa。

步骤3，熔炼：

从室温开始，以10℃/min的速率升温至1100℃，并保温30min，然后在910℃保温30min，待高温真空炉冷却到室温后，取出，制得含有共晶组织的铜钛合金，室温SEM图如图2所示，可见由细小的CuTi和CuTi₂两相相互交织在一起形成的典型室温共晶组织形貌。

对比例2-1

同实施例2，区别在于，制备工艺上将“1100℃保温30min”调整为“1150℃保温60min”，制备的铜钛合金室温SEM图如图5所示，可见，CuTi₂晶粒粗大，没有相互交织的典型共晶组织微观形貌，经检测，制备的铜钛合金室温断裂韧性为24MPa·m^1/2。

实施例3

一种铜钛合金，铜钛合金按质量百分比由以下组分制备而成：Cu粉：45.0％，Ti粉55.0％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％。

所述的Cu粉为300目，Ti粉为250目。

所述的一种铜钛合金的室温组织为两种铜钛金属间化合物组成的过共晶合金，室温断裂韧性为30MPa·m^1/2。

上述的铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，混料：

按一种铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉用三维混料机混合均匀，混合时间为1小时，得到混合料A；

步骤2，准备熔炼：

将40g混合料A放入直径40mm，高度50mm氧化锆坩埚中，将氧化锆坩埚放入高温真空炉中熔炼，炉内真空度为1.0×10^-3Pa。

步骤3，熔炼：

从室温开始，以10℃/min的速率升温至1100℃，并保温30min，然后在910℃保温30min，待高温真空炉冷却到室温后，取出，制得含有共晶组织的铜钛合金，室温SEM图如图3所示，可见室温组织是由CuTi和CuTi₂相互包裹、交织形成的共晶组织。

对比例3-1

同实施例3，区别在于，制备工艺上将“1100℃保温30min”调整为“1150℃保温60min”，得到的铜钛合金CuTi₂晶粒尺寸不均匀，并无典型的共晶组织产生，几乎无共晶组织出现，经检测，制备的铜钛合金室温断裂韧性为22MPa·m^1/2。

对比例3-2

同实施例3，区别在于，制备工艺上将“1100℃保温30min”调整为“1100℃保温20min”，制备的铜钛合金室温SEM图如图5所示，可见，会有未溶解的Ti，得到的合金室温组织是含有CuTi、CuTi₂和αTi组成的三相合金，经检测，制备的铜钛合金室温断裂韧性为23MPa·m^1/2。

对比例3-3

同实施例3，区别在于，制备工艺上将“1100℃保温30min，910℃保温30min”调整为“1100℃保温60min”，制备的铜钛合金室温SEM图如图6所示，可见，无法得到共晶组织，经检测，制备的铜钛合金室温断裂韧性为25MPa·m^1/2。

对比例3-4

同实施例3，区别在于，合金成分调整为“Cu粉：39％，Ti粉61％”。会得到含有第二相的钛合金，通过实施例方法得到的是铸态的室温组织为αTi和第二相CuTi₂，经检测，制备的产品为钛合金，室温断裂韧性为26MPa·m^1/2。

Claims (5)

1.一种含有共晶组织的铜钛合金，其特征在于，按质量百分比由以下组分制备而成：Cu粉：40％～55％，Ti粉：45％～60.0％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％。

2.根据权利要求1所述的含有共晶组织的铜钛合金，其特征在于，所述的Cu粉粒度为300目，Ti粉粒度为250目。

3.根据权利要求1所述的含有共晶组织的铜钛合金，其特征在于，所述的含有共晶组织的铜钛合金室温断裂韧性为30-37MPa·m^1/2。

4.根据权利要求1所述的含有共晶组织的铜钛合金，其特征在于，所述的含有共晶组织的铜钛合金的室温组织为CuTi和CuTi₂两种金属间化合物组成的共晶组织。

5.权利要求1所述的含有共晶组织的铜钛合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，混料：

按照铜钛合金的成分配比，Cu粉：40％～55％，Ti粉：45％～60.0％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％，将Cu粉和Ti粉混合均匀，制得混合料；

步骤2，准备熔炼：

将混合料放入高温真空炉中熔炼，炉内真空度为1.0×10^-3Pa；

步骤3，熔炼：

以8-10℃/min的速率，由室温升温至1000-1100℃，保温30-40min，然后在900-910℃保温30-40min，待高温真空炉冷却到室温后，取出，制得含有共晶组织的铜钛合金。

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