CN116790936A - 一种复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温合金及其制备方法 - Google Patents
一种复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温合金及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116790936A CN116790936A CN202310508588.0A CN202310508588A CN116790936A CN 116790936 A CN116790936 A CN 116790936A CN 202310508588 A CN202310508588 A CN 202310508588A CN 116790936 A CN116790936 A CN 116790936A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- temperature
- room temperature
- hardness
- tensile strength
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 58
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 58
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 title claims abstract description 15
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 15
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 5
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 claims description 6
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 5
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 abstract description 11
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000007542 hardness measurement Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 241001062472 Stokellia anisodon Species 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017526 Cu-Cr-Zr Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017810 Cu—Cr—Zr Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C9/00—Alloys based on copper
- C22C9/06—Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Abstract
一种复合共格析出强化Cu‑Ni‑Co‑Al‑Ti‑Nb‑V‑Si耐高温铜合金及其制备方法，其属于耐高温铜合金领域。该铜合金的质量百分比组成为Cu：56.38～62.32 wt％，Ni：24.53～27.11 wt％，Co：6.58～7.28 wt％，Al：4.26～4.70 wt％，Ti：0.73～0.81 wt％，Nb：1.66～1.84 wt％，V：0.66～0.72 wt％，Si：0.19～0.21 wt％；该合金为铸态及时效态始终具有复合共格析出组织；铸态合金室温硬度不低于为380HV，温度升至1000℃时硬度不低于225HV，合金室温极限抗拉强度不低于880MPa，800℃极限抗拉强度不低于195MPa；时效态合金室温硬度不低于为345HV，温度升至1000℃时硬度不低于210HV，合金室温极限抗拉强度不低于630MPa，800℃极限抗拉强度不低于190MPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温合金及其制备方法，其属于耐高温铜合金领域。
背景技术
铜合金具有良好的导电导热性能，力学性能及加工性能，但日益发展的技术需求对材料的耐温性能提出了更高的要求，比如火箭发动机燃烧室内壁材料，需在高温下长期服役；电磁发射导轨材料，需承受发射时的大电流及高温。因此，铜合金在保证其具有良好的室温性能外，还需要具备良好的高温强度和高温稳定性。析出强化型铜合金由于其析出相尺寸较小，且具有一定的高温稳定性而具有较高的强化效果，但是其耐温能力较差。现役耐热铜合金Cu-Cr-Zr、Cu-Cr-Nb、Cu-Ag-Zr等在500℃下均具有较高的拉伸强度，在更高温度下的抗拉强度均显著降低，在800℃时均低于75MPa。因此，为满足工业化发展及苛刻的服役条件，如何提高铜合金的高温性能成为本领域亟待解决的难题。
现有文献报道的立方形态γ′相共格析出强化铜合金，在较宽的成分范围内拥有较高的软化温度，甚至超过1000℃，展现了优异的热稳定性。在该体系合金中，γ′相中固溶了大量的Cu，导致γ′稳定性下降，高温下易回溶。此外，其塑性较差。
发明内容
为解决现有合金中存在的问题，本发明拟设计制备具有良好高温性能的复合共格析出强化铜合金，引入除γ'相外的其它高熔点共格析出相，D0a-Ni3Nb相，在高温下γ'相逐渐回溶后，仍能提供一定的强化作用。利用多组元协同作用提升γ'相稳定性，同时提升高温下的晶界强度。多相复合可以在不同温度段起强化作用，共同提高合金的常温及高温性能。
本发明的技术方案为：
一种复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温铜合金，所述铜合金的质量百分比组成为Cu：56.38～62.32wt％，Ni：24.53～27.11wt％，Co：6.58～7.28wt％，Al：4.26～4.70wt％，Ti：0.73～0.81wt％，Nb：1.66～1.84wt％，V：0.66～0.72wt％，Si：0.19～0.21wt％。该合金为铸态及时效态始终具有复合共格析出组织；铸态合金室温硬度不低于为380HV，温度升至1000℃时硬度不低于225HV，合金室温极限抗拉强度不低于880MPa，800℃极限抗拉强度不低于195MPa；时效态合金室温硬度不低于为345HV，温度升至1000℃时硬度不低于210HV，合金室温极限抗拉强度不低于630MPa，800℃极限抗拉强度不低于190MPa。
所述的一种复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温铜合金的制备方法：
按合金的上述成分，使用4N以上高纯度金属为原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯氩气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼，最终得到成分均匀的合金锭；将熔炼好的合金锭进行热处理：先进行固溶处理，在1100℃下恒温保持6h，随后在空气中冷却到室温；再进行时效处理，在450℃下恒温保持6h，随后在空气中冷却到室温，获得复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温合金。用高温维氏硬度测试系统进行原位高温硬度测试；利用万能试验机对合金进行高温拉伸测试。
本发明的有益效果为：
1、多组元协同作用提升强化效果，在铜合金中加入Co可以有效促成金属间化合物的形成，使基体中的第二相均匀分布，增加合金的强度与硬度。Ti、V、Nb元素具有细化晶粒的作用，同时可以通过促进γ′相的析出，对铜基高温合金进行析出强化，同时这些元素在γ′相中的固溶可提升γ′相的高温稳定性。A1通过形成氧化层,阻止高温合金进一步被氧化；Si元素能够为合金提供一定的耐蚀性；此外Nb、V、Si还可与Ni、Co元素作用引入具有良好高温稳定性的(Ni，Co)3(Nb,Si,Ti,V)化合物。多相可在不同温度段起作用，从而使得合金硬度从室温升至1000℃后仍能保持在210HV以上。
2、多相复合(～200nm的γ'相+～500nm宽的(Ni，Co)3(Nb,Si,Ti,V)化合物)可以通过提供其它高温稳定相和强化晶界共同提高合金高温强度，使合金800℃极限抗拉强度高于190MPa。
3、该合金铸态和时效态组织均匀，常高温性能均能满足使用要求，远高于现役耐热铜合金。
附图说明
图1是铸态及时效态Cu59.35Ni25.82Co6.93Al4.48Ti0.77Nb1.75V0.69Si0.20(wt.％)合金的SEM二次电子图像。
图2是铸态及时效态Cu59.35Ni25.82Co6.93Al4.48Ti0.77Nb1.75V0.69Si0.20(wt.％)合金的硬度随温度的变化曲线。
图3是铸态及时效态Cu59.35Ni25.82Co6.93Al4.48Ti0.77Nb1.75V0.69Si0.20(wt.％)合金的室温工程应力-应变曲线。
图4是铸态及时效态Cu59.35Ni25.82Co6.93Al4.48Ti0.77Nb1.75V0.69Si0.20(wt.％)合金在800℃下的工程应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1：Cu59.35Ni25.82Co6.93Al4.48Ti0.77Nb1.75V0.69Si0.20(wt.％)合金
步骤一：合金制备
根据合金成分Cu59.35Ni25.82Co6.93Al4.48Ti0.77Nb1.75V0.69Si0.20(wt.％)，使用纯度为5N的Cu、Al和Si、纯度为4N的Ni、Co、Ti、Nb和V原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯氩气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼5次，最终得到成分均匀的合金锭；随后将熔炼好的合金锭进行热处理(固溶处理：在1100℃下保温6h，随后将样品放置空气中冷却；时效处理：在900℃下保温6h，随后将样品放置空气中冷却)。
步骤二：合金结构和性能表征
采用德国布鲁克D8 FOCUS X射线衍射仪和JSM-7900F型场发射扫描电子显微镜对合金进行组织和结构分析，可以确定合金中含有多尺度多相(～200nm的γ'相+～500nm宽的(Ni，Co)3(Nb,Si,Ti,V)化合物)，其铸态及时效态显微组织形貌如图1所示。采用山东宗德机电的ZD-HVZHT-30高温维氏硬度测试系统(升温速率为25K/min，测试温度为室温～1000℃，保温时间为5min，加载载荷为2kgf，加载时间为10s)进行原位高温硬度测试，每个温度下测试5个硬度值，结果显示铸态合金室温硬度不低于为380HV，温度升至1000℃时硬度不低于225HV，时效态合金的室温硬度为345HV，温度从室温升至1000℃后仍能保持在210HV以上，如图2所示；采用中国深圳生产的UTM5504材料测试系统对铸态及时效态合金样品在室温和800℃下分别进行了名义应变速率为1×10-4/s的拉伸试验。室温及高温拉伸试验根据金属材料室温及高温拉伸试验国家标准进行(GB/T 228.1-2010及GB/T 228.2-2015)。结果显示，铸态合金室温极限抗拉强度不低于880MPa，800℃极限抗拉强度不低于195MPa，时效态合金室温拉伸强度不低于630MPa，800℃下拉伸强度不低于190MPa，如图3和图4所示。
Claims (2)
1.一种复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温铜合金，其特征在于：所述铜合金中包括组分的质量百分比为Cu：56.38～62.32wt％，Ni：24.53～27.11wt％，Co：6.58～7.28wt％，Al：4.26～4.70wt％，Ti：0.73～0.81wt％，Nb：1.66～1.84wt％，V：0.66～0.72wt％，Si：0.19～0.21wt％；该合金为铸态和时效态始终具有复合共格析出组织；铸态合金室温硬度不低于为380HV，温度升至1000℃时硬度不低于225HV，合金室温极限抗拉强度不低于880MPa，800℃极限抗拉强度不低于195MPa；时效态合金室温硬度不低于为345HV，温度升至1000℃时硬度不低于210HV，合金室温极限抗拉强度不低于630MPa，800℃极限抗拉强度不低于190MPa。
2.根据权利要求1所述的一种复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温铜合金的制备方法，其特征在于：使用4N以上高纯度金属为原料，按权利要求1中铜合金的成分进行配制，采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯氩气保护，对配制的合金原料进行反复熔炼，最终得到成分均匀的合金锭；
将熔炼好的合金锭进行热处理：先进行固溶处理，在1100℃下恒温保持6h，随后在空气中冷却到室温；再进行时效处理，在900℃下恒温保持6h，随后在空气中冷却到室温，获得复合共格析出强化的耐高温合金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310508588.0A CN116790936B (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 一种复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温合金及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310508588.0A CN116790936B (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 一种复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温合金及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116790936A true CN116790936A (zh) | 2023-09-22 |
| CN116790936B CN116790936B (zh) | 2024-08-16 |
Family
ID=88035219
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310508588.0A Active CN116790936B (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 一种复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温合金及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116790936B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107354341A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-11-17 | 大连理工大学 | 一种立方棋盘状γ`相增强Cu‑Ni‑Al耐高温合金及其制备方法 |
| CN113684398A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-11-23 | 大连理工大学 | 900℃组织稳定的立方形γ′纳米粒子共格析出强化的高温合金及制备方法 |
| CN114086027A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-02-25 | 江西理工大学 | 一种抗高温软化的Cu-Ni-Sn系高强高弹铜合金及其制备方法 |
| US20220380866A1 (en) * | 2021-05-26 | 2022-12-01 | National Tsing Hua University | High strength and wear resistant multi-element copper alloy and article comprising the same |
-
2023
- 2023-05-08 CN CN202310508588.0A patent/CN116790936B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107354341A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-11-17 | 大连理工大学 | 一种立方棋盘状γ`相增强Cu‑Ni‑Al耐高温合金及其制备方法 |
| US20220380866A1 (en) * | 2021-05-26 | 2022-12-01 | National Tsing Hua University | High strength and wear resistant multi-element copper alloy and article comprising the same |
| CN113684398A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-11-23 | 大连理工大学 | 900℃组织稳定的立方形γ′纳米粒子共格析出强化的高温合金及制备方法 |
| CN114086027A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-02-25 | 江西理工大学 | 一种抗高温软化的Cu-Ni-Sn系高强高弹铜合金及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116790936B (zh) | 2024-08-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111187946A (zh) | 一种高铝含量的镍基变形高温合金及制备方法 | |
| CN108060326B (zh) | 一种超高强、低反偏析CuNiSn系弹性铜合金及其制备方法 | |
| CN104894438B (zh) | 一种高导电率耐热铝合金单丝材料及其制备方法 | |
| CN110592444A (zh) | 一种700-720MPa强度耐热高抗晶间腐蚀铝合金及其制备方法 | |
| CN111621660A (zh) | 原位析出碳化物的沉淀强化型高温高熵合金及其制备方法 | |
| CN108950292A (zh) | 一种导电弹性Cu-Ti-Ni-Al合金及其制备方法 | |
| CN101942585A (zh) | 铝合金和柴油机活塞 | |
| CN101503774B (zh) | 铸造镁合金材料的制备方法 | |
| CN112522564A (zh) | 一种TiB2颗粒增强镍基铸造高温合金及其制备方法 | |
| CN103131925A (zh) | 一种高强耐热复合稀土镁合金 | |
| CN109536776B (zh) | 一种耐热钛合金及其制备方法 | |
| CN108034874B (zh) | 一种含钼铼稀土镁合金及其制备方法 | |
| CN108165780B (zh) | 一种Ni-Cr-Al-Fe系高温合金的制备方法 | |
| CN117758110B (zh) | 一种耐高温铸造铝合金及其制备方法与应用 | |
| CN108866378A (zh) | 一种高温环境用高强高导电率铜合金及其制备方法 | |
| CN101985711B (zh) | 一种以Sn和Gd为主要组元的多元耐热镁合金及其制备方法 | |
| CN116790936B (zh) | 一种复合共格析出强化Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si耐高温合金及其制备方法 | |
| CN110669968A (zh) | 一种耐热稀土铝合金及其制备方法 | |
| CN116555625B (zh) | 一种多尺度多相共格析出强化Cu-Ni-Al-Co-Cr-Ti耐高温铜合金及其制备方法 | |
| CN115029593A (zh) | 一种复合添加稀土耐热铝合金及其制备方法 | |
| CN114959387B (zh) | 一种高强度耐热铸造铝合金及其制备方法 | |
| CN108048704B (zh) | 一种含镧和镱的耐腐蚀铝合金材料的制备方法 | |
| CN113957290B (zh) | 一种析出d022超点阵相的多元高温合金及制备方法和应用 | |
| CN116815009A (zh) | 一种多组元复杂共格析出强化Cu-Ni-Al-Cr-Ti耐高温铜合金及其制备方法 | |
| CN115772618B (zh) | 一种高强韧耐热铝合金材料及其制备方法和热处理方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |