CN113246558B

CN113246558B - 一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN113246558B
Application number: CN202110535068.XA
Authority: CN
Inventors: 宋旼; 顾及; 吴宇凡
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2021-05-17
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2041-05-17
Also published as: CN113246558A

Abstract

本发明公开了一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金及其制备方法，所述层状结构铜铝合金沿厚度方向为n层，任意相邻两层的成分不同，任意一层的成分选自Cu‑xAl、Cu‑yAl，Cu中的一种，其中2≤x≤8，2≤y≤8，且x≠y。所述制备方法以铜和铜铝合金粉末为原料，采用粉末冶金的制备工艺并进行变形加工处理制备得到具有梯度层错能的层状铜铝合金。通过控制粉末冶金工艺过程的烧结温度和时间以及变形处理过程的变形量等，使这种层状合金具有不同的结构与性能，通过上述工艺制备得到的铜铝合金相对于纯铜和单一成分的铜铝合金具有更加优异的拉伸性能。本发明公开的层状铜铝合金的制备流程简便易行，能够实现大规模化的生产。

Description

一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，特别涉及一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，实际应用中对于工程材料的要求越来越高，对于结构工程材料，强度和塑性是两个重要的性能评价指标，但是通常来说这两者之间存在着“倒置”关系。为了打破这种关系，设计高强度高塑性的工程材料，提出了多种方案，例如引入孪晶作为第二级结构，构造具有不同晶粒尺寸或结构单元的异质结构以及建立梯度结构等。在上述的解决方案中，梯度结构是目前极具发展前景的结构之一，引入构建的梯度结构有梯度晶粒尺寸，具有嵌入孪晶的梯度晶粒，梯度孪晶密度等。这种梯度结构能够同时达到高强度与高塑性的主要原因在于梯度材料之间的协调变形。

对于面心立方结构(FCC)金属，层错能是影响材料变形机制的一个重要因素，层错能降低可以显著的增加材料的孪生倾向。纯铜是一种典型的非常常见的面心立方(FCC)结构金属，其应用也非常广泛，其层错能为～45mJ/m²。向其中加入固溶元素Al可以显著的降低合金的层错能，且在固溶度范围内，随着Al元素的增加，合金的层错能降低，即在变形过程中合金越容易发生孪生。目前，在实际生产中，能够实现大规模并且低成本生产梯度结构的铜铝合金较少，而且当前研究较为广泛的梯度晶粒尺寸的铜合金材料，而对于梯度层错能材料的研究较少。因此现有技术中，还没有关于梯度层错能的层状结构铜铝合金的报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金及其制备方法。本发明通过巧妙的设计铜铝合金的层状结构，从而使得铜铝合金具有优异的拉伸性能。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金，所述层状结构铜铝合金沿厚度方向为n层，任意相邻两层的成分不同，任意一层的成分选自Cu-xAl(Cu-xwt.％Al)、Cu-yAl(Cu-y wt.％Al)，Cu中的一种，其中2≤x≤8，2≤y≤8，且x≠y。

本发明首创的提供一种了具有梯度层错能的层状结构铜铝合金，其相对于纯铜和单一成分的铜铝合金具有更加优异的拉伸性能。

优选的方案，所述层状结构铜铝合金的最上层与最下层不同时为Cu。

发明人发现，若最上层与最下层同时为Cu时，材料的延伸率将无法得到有效提升。

优选的方案，4≤x≤6，4≤y≤6，且x≠y。

在本发明中，(Cu-xwt.％Al)Cu-xAl指该层材料中，Al的质量分数为x％。

优选的方案，所述n为1～11层，优选为5～9层。

优选的方案，所述Cu-xAl中，x＝6；所述Cu-yAl中，y＝4。

优选的方案，所述层状结构铜铝合金沿厚度方向为5层，且其各层成份依次为：Cu-6Al/Cu-4Al/Cu/Cu-4Al/Cu-6Al。

优选的方案，所述层状结构铜铝合金沿厚度方向为6层，且其各层成份依次为：Cu/Cu-6Al/Cu/Cu-6Al/Cu/Cu-6Al。

优选的方案，所述层状结构铜铝合金沿厚度方向为9层；Cu/Cu-4Al/Cu-6Al/Cu/Cu-4Al/Cu-6Al/Cu/Cu-4Al/Cu-6Al。

发明人发现，上述三种层状结构的铜铝合金，最终的力学性能最为优异。

本发明一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金的制备方法，包括如下步骤：按层状结构铜铝合金设计结构，在模具上铺设Cu-xAl合金粉，Cu-yAl合金粉、Cu粉末，挤压成形获得层状生坯，烧结获得层状坯体，然后将层状坯体装入包套中，进行热轧制处理，道次间进行回炉升温处理，即得层状结构铜铝合金。

优选的方案，所述在模具有铺设Cu-xAl合金粉，Cu-yAl合金粉、Cu粉末的总厚度为7-10mm。将粉末的厚度控制在上述范围内，即能够获得烧结致密的材料，同时有利于轧制变形的顺利进行。而若厚度过大会影响后续的冷压和烧结过程；厚度过小影响后续的轧制变形过程。

优选的方案，所述Cu-xAl合金粉，Cu-yAl合金粉、Cu粉末的粒径均大于400目，优选为200～400目。

优选的方案，在保护气氛下挤压成形获得生坯。

优选的方案，所述层状生坯中，各层厚度≤3mm。

优选的方案，在保护气氛下进行烧结，烧结的温度为850～950℃，烧结的时间为30～120min。

进一步的优选，所述烧结方式为热压烧结，烧结压力≥10吨，优选为10～15顿。

在本发明中，保护气氛优选为氮气气氛或氩气气氛。

优选的方案，所述包套材料为45钢。

优选的方案，所述热轧制的温度为900～950℃，时间为30-120min。

优选的方案，所述回炉升温处理的温度为900～950℃，时间为5-30min。

优选的方案，轧制处理的总轧下量为55％～90％，优选为80％～90％

原理与优势

Cu是一种典型的面心立方(FCC)结构金属，纯Cu层错能为～45mJ/m²，向其中加入固溶元素Al可以显著的降低合金的层错能，且在固溶度范围内，随着Al元素含量的增加，合金的层错能持续降低，即在变形过程中合金越容易发生孪生。此外，层错能还能影响孪晶片层的厚度，而孪晶片层的厚度对材料的力学性能有着重要的影响。

因此，若能在材料中构建梯度的层错能结构，则在塑性变形中各梯度层的变形机制、孪生倾向以及孪晶厚度都将呈梯度变化，使得各层之间得以很好的协调变形，并因大量孪晶的存在可以使材料具有优异的强度和塑性。然而目前通常用来制备梯度结构材料的方法包括表面机械处理研磨、喷丸、和扭转变形等，都在实现制备整体上具有梯度层错能结构的材料上存在一定困难。

本发明利用粉末冶金的方法，获得了在整体上具有梯度层错能结构的材料，在本发明的制备方法，通过采用一定范围内Al含量的Cu-Al合金粉末，以及纯铜粉按一定的次序进行铺粉，并通知控制铺粉的厚度，再结合合适的烧结工艺、热轧制处理工艺，最终获得了具有优异强度和塑性的具有梯度层错能的层状结构铜铝合金。在本发明中，所提供的具有梯度层错能的层状结构铜铝合金断裂强度≥334MPa，延伸率≥50％。

本发明制备得到的铜铝合金相对于纯铜和单一成分的铜铝合金具有更加优异的拉伸性能。制备流程简便易行，能够实现大规模化的生产。

附图说明

图1实施例1中样品的光学显微镜及扫描电镜图片以及EPMA元素分布图。

图2实施例2中样品的光学显微镜及扫描电镜图片以及EPMA元素分布图。

图3实施例3中样品的光学显微镜及扫描电镜图片以及EPMA元素分布图。

具体实施方式

实施例1

原料的配取，配取Cu-4Al合金粉末、Cu-6Al合金粉末，Cu粉，其中原料中的铜铝合金粉末由气雾化制粉方式制成，在生产、储存以及加工过程中都有保护气氛保护。铜铝合金粉末有两种，其中Cu-4Al合金粉末中，按质量百分比计，铝4wt.％，铜96wt.％；Cu-6Al合金粉末中，按质量百分比计，铝6wt.％，铜94wt.％。

1)以气雾化工艺制备的合金粉末为原料，在冷压成形模具中依次铺盖Cu-6Al，Cu-4Al，Cu，Cu-4Al和Cu-6Al粉末，不同粉末层厚度的总和相同，累计铺入5层金属粉末，其中单层纯铜厚度为2.6mm，单层合金粉末厚度为1.3mm；

2)用带有保护气体保护的粉末成形装置，将模具中铺好的铜以及铜铝合金粉挤压成形为胚；

3)在保护气氛下，将所得的胚体放在烧结炉中进行烧结，烧结温度950℃，保温时间120分钟

4)烧结后的材料经过包套处理重新置于950℃马弗炉30分钟后，进行轧制处理，每次轧制后将材料放回炉中保温5分钟，材料整体的轧下量为90％。

5)最后得到的梯度层错能材料的拉伸力学性能为：断裂强度为344MPa，延伸率为61％。

对比例1

其他条件均与实施例1相同，仅是材料的整体轧下量为50％。

最后得到材料的拉伸力学性能为：断裂强度为230MPa，延伸率为15％。

对比例2

其他条件均与实施例1相同，仅是使用的原材料仅为Cu粉。

最后得到材料的拉伸力学性能为：断裂强度为220MPa，延伸率为50％。

对比例3

其他条件均与实施例1相同，仅是铺粉的顺序不同，在冷压成形模具中依次铺盖Cu，Cu-4％Al，Cu-6％Al，Cu-4％Al和Cu粉末，不同粉末层厚度的总和相同，累计铺入5层金属粉末，其中单层Cu-6％Al厚度为2.6mm，单层Cu-4％Al和Cu粉末厚度为1.3mm。

最后得到材料的拉伸力学性能为：断裂强度为364MPa，延伸率为17％。

实施例2

原料的配取，配取Cu-6Al合金粉末，Cu粉，其中原料中的Cu-6Al合金粉末由气雾化制粉方式制成，在生产、储存以及加工过程中都有保护气氛保护。Cu-6Al合金粉末中，按质量百分比计，铝6wt.％，铜94wt.％。

1)以气雾化工艺制备的合金粉末为原料，在冷压成形模具中依次铺盖Cu，Cu-6Al，Cu，Cu-6Al，Cu和Cu-6Al粉末，不同粉末层厚度的总和相同，累计铺入6层金属粉末，其中单层Cu-6Al和Cu的厚度为1.5mm；

5)最后得到的层状材料的拉伸力学性能为：断裂强度为381MPa，延伸率为50％。

实施例3

1)以气雾化工艺制备的合金粉末为原料，在冷压成形模具中依次铺盖Cu，Cu-4％Al，Cu-6％Al，Cu，Cu-4％Al，Cu-6％Al，Cu，Cu-4％Al，Cu-6％Al粉末，不同粉末层厚度的总和相同，累计铺入9层金属粉末，其中每层粉末的厚度为1.3mm；

3)在保护气氛下，将所得的胚体放在烧结炉中进行烧结，烧结温度900℃，保温时间120分钟

4)烧结后的材料经过包套处理重新置于950℃马弗炉30分钟后，进行轧制处理，每次轧制后将材料放回炉中保温5分钟，材料整体的轧下量为80％。

5)最后得到的层状材料的拉伸力学性能为：断裂强度为334MPa，延伸率为65％。

Claims

1.一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：按层状结构铜铝合金的设计结构，在模具上铺设Cu-xAl合金粉，Cu-yAl合金粉、Cu粉末，挤压成形获得层状生坯，烧结获得层状坯体，然后将层状坯体装入包套中，进行热轧制处理，道次间进行回炉升温处理，即得层状结构铜铝合金；

所述层状结构铜铝合金沿厚度方向为n层，任意相邻两层的成分不同，任意一层的成分选自Cu-xAl、Cu-yAl，Cu中的一种，其中2≤x≤8，2≤y≤8，且x≠y；

所述层状结构铜铝合金的最上层与最下层不同时为Cu；

所述x是指Cu-xAl合金粉中，Al的质量分数为x%；所述y是指Cu-yAl合金粉中，Al的质量分数为y%。

2.根据权利要求1所述的一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

所述在模具上铺设Cu-xAl合金粉，Cu-yAl合金粉、Cu粉末的总厚度为7-10mm；

所述层状生坯中，各层厚度≤3mm。

3.根据权利要求1所述的一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金的制备方法，其特征在于：在保护气氛下进行烧结，烧结的温度为850～950℃，烧结的时间为30～120min。

4.根据权利要求1所述的一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金的制备方法，其特征在于：所述烧结方式为热压烧结。

5.根据权利要求1所述的一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金的制备方法，其特征在于：所述热轧制的温度为900~950℃，时间为30-120min；

所述回炉升温处理的温度为900~950℃，时间为5-30min；

轧制处理的总轧下量为55%~90%。

6.根据权利要求1所述的一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金的制备方法，其特征在于：所述n为5~9层。

7.根据权利要求1所述的一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金的制备方法，其特征在于：所述Cu-xAl中，x=6；所述Cu-yAl中，y=4。

8.根据权利要求1所述的一种具有梯度层错能的层状结构铜铝合金的制备方法，其特征在于：所述层状结构铜铝合金沿厚度方向为5层，且其各层成份依次为：Cu-6Al/Cu-4Al/Cu/Cu-4Al/Cu-6Al；

或

所述层状结构铜铝合金沿厚度方向为6层，且其各层成份依次为：Cu/Cu-6Al/Cu/Cu-6Al/Cu/Cu-6Al；

或

所述层状结构铜铝合金沿厚度方向为9层；Cu/Cu-4Al/Cu-6Al/Cu/Cu-4Al/Cu-6Al/Cu/Cu-4Al/Cu-6Al。