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技术

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，其属于耐高温铜合金领域。合金中Ni、Al的原子百分比比例为2.3

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及一种立方棋盘状γ'相增强Cu-Ni-Al耐高温合金及其制备方法，其属于耐高温铜合金领域。
技术介绍
导电铜合金的一个重大需求，就是具有高的抗蠕变性能，这是因为在瞬间高电流负载情形下，温度往往很高，普通铜合金难以承受。目前应用较广泛的具有高强度、高导电导热性、良好的耐磨抗蚀性和抗高温蠕变等综合性能的是铍青铜，这是一种典型时效强化型Cu合金，但是这种合金含有毒性元素，并且导电性不够好，承温能力还不足。如果能够把镍基高温合金的主要强化方式：立方棋盘状γ'相（AuCu3结构）在面心立方γ相固溶体基体上共格析出，移植到Cu合金，将有助于发展新型耐高温的时效强化Cu合金。由于立方形态需要析出相与基体的精确匹配，目前为止，除Co基高温合金外，其它常用合金体系中尚未发现立方形态强化析出的组织特征，而各种合金往往需要承受高温的载荷和服役环境。Cu和Ni有完全相同的面心立方晶体结构，也存在一批结构类型为AuCu3的γ'有序相，从晶体结构上，将立方形态γ'相与面心立方固溶体基体γ相的特征组织结构从Ni基移植到Cu基上完全可能，Cu的熔点是1356.4K，即使以0.9Tm估计，Cu合金的高温用途也将在1273K左右，但是实际上直至目前为止，析出强化的铜合金耐温能力都非常低。例如引线框架Cu-Fe-P合金在加入Re等稀土元素后软化温度才能提高到813K左右；而用于开关触头的铬锆铜抗高温软化温度也仅可达823K；用于压铸冲头的铍青铜软化温度也在823K左右。其本质困难在于：析出强化相本身的相变（分解）温度较低导致高温软化，另外合金化元素在基体Cu中固溶还会导致电阻率增加。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提出利用“立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出”的组织结构来强化Cu，采用具有AuCu3结构和高分解温度的Ni3Al相作为γ'相，制备具有良好高温性能的Cu-Ni-Al合金。本专利技术的技术方案为：一种立方棋盘状γ'相增强Cu-Ni-Al耐高温合金，所述合金中Ni、Al的原子百分比比例为2.3<Ni/Al<9，合金中Cu的原子百分比含量为40≤Cu≤99at.%；该合金始终具有“立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出”特征组织，该合金具有高于1273K的软化温度，该合金的熔点高于1356K。一种立方棋盘状γ'相增强Cu-Ni-Al耐高温合金的制备方法：（1）按合金的原子百分比换算成相应金属的重量百分比，使用4N以上高纯度金属为原料配制合金；（2）采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar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；（3）随后将熔炼好的合金置于真空管式炉中，在Ar气氛围中进行1238K/6h固溶和723K/4h时效处理，得到Cu-Ni-Al耐高温合金。本专利技术为了提升现有Cu合金的耐高温性能，旨在制备具有“立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出”特征组织的Cu-Ni-Al耐高温合金，控制Ni、Al的添加比例为2.3<Ni/Al<9（原子百分比比例），40≤Cu≤99at.%，以获得不同的高温强度与电阻率的组合满足不同实际工况需求。其典型特征在于：该合金始终具有“立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出”特征组织，具有高于1273K的软化温度，且熔点高于1356K（纯Cu的熔点）。该Cu-Ni-Al高温合金具体制备工艺步骤如下：按照成分合金所需的Cu、Ni、Al原子比换算成重量百分比，使用高纯原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar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；随后将熔炼好的合金置于真空管式炉中，在Ar气氛围中进行1238K/6h固溶和723K/4h时效处理；利用XRD和TEM检测合金组织和结构；用维氏硬度计进行硬度测试；利用涡流电导仪对合金的导电性进行测试；利用差热分析仪测量合金的熔点；根据GB/T33370-2016《铜及铜合金软化温度的测量方法》测量合金的软化温度。本专利技术的有益效果为：1、利用高分解温度的Ni3Al相（AuCu3结构γ'相）强化Cu合金，解决了析出强化相本身分解温度低导致的高温软化问题，该合金的软化温度达到了高于1273K的温度。2、利用立方棋盘状γ'相在γ相基体上共格析出可以获得较理想的高温性能，该合金的熔点高于纯Cu的熔点1356K，使合金的熔点超过了金属单质的熔点。在这种组织形态下可以达到固溶强化和第二相强化共同作用的结果，高的蠕变抗力来自于两相的相界（位错运动的障碍）。附图说明图1是1238K/6h固溶和723K/4h时效处理后Cu75Ni18.75Al6.25(at.%)合金的透射电镜明场像。图2是1238K/6h固溶和723K/4h时效处理后Cu63.64Ni27.27Al9.09(at.%)合金的透射电镜明场像。图3是1238K/6h固溶和723K/4h时效处理后Cu42.86Ni42.86Al14.28(at.%)合金的透射电镜明场像。具体实施方式下面结合技术方案详细叙述本专利技术的具体实施例。实施例1：Cu75Ni18.75Al6.25(at.%)合金步骤一：合金制备将成分为Cu75Ni18.75Al6.25(at.%)的合金换算成重量百分比，使用纯度为4N的Cu和Ni、纯度为5N的Al原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar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置于真空管式炉中，在Ar气氛围中进行1238K/6h固溶和723K/4h时效处理；步骤二：合金结构和性能表征采用德国布鲁克D8FOCUSX射线衍射仪和TECNAIG2型透射电子显微镜对合金进行组织和结构分析，可以确定Cu75Ni18.75Al6.25中析出相为γ'相（Ni3Al），并且以立方棋盘状析出，如图1所示；用Sigma2008B型涡流电导仪测定合金的电导率为12.492%IACS；采用HVS-1000型数字显微硬度计测量合金的硬度（HV）为229.92；采用TAQ600型差热分析仪测量合金的熔点为1440K；根据GB/T33370-2016《铜及铜合金软化温度的测量方法》，合金的软化温度高于1273K。实施例2：Cu63.64Ni27.27Al9.09(at.%)合金步骤一：合金制备Cu63.64Ni27.27Al9.09(at.%)合金，合金制备同实施例1中的步骤一。步骤二：合金结构和性能表征采用德国布鲁克D8FOCUSX射线衍射仪和TECNAIG2型透射电子显微镜对合金进行组织和结构分析，可以确定Cu63.64Ni27.27Al9.09中析出相为γ'相（Ni3Al），并且以立方棋盘状析出，如图2所示；用Sigma2008B型涡流电导仪测定合金的电导率为8.664%IACS；采用HVS-1000型数字显微硬度计测量合金的硬度（HV）为257.61；采用TAQ600型差热分析仪测量合金的熔点为1469K。根据GB/T33370-2016《铜及铜合金软化温度的测量方法》，合金的软化温度高于1273K。实施例3：Cu42.86Ni本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种立方棋盘状γ'相增强Cu‑Ni‑Al耐高温合金，其特征在于：所述合金中Ni、Al的原子百分比比例为2.3<Ni/Al<9，合金中Cu的原子百分比含量为40≤Cu≤99at.%；该合金始终具有立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出的特征组织，该合金具有高于1273K的软化温度，该合金的熔点高于1356K。

【技术特征摘要】
1.一种立方棋盘状γ'相增强Cu-Ni-Al耐高温合金，其特征在于：所述合金中Ni、Al的原子百分比比例为2.3<Ni/Al<9，合金中Cu的原子百分比含量为40≤Cu≤99at.%；该合金始终具有立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出的特征组织，该合金具有高于1273K的软化温度，该合金的熔点高于1356K。2.根据权利要求1所述的一种立方棋盘状γ'相增强C...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓娜，孙伟，程肖甜，王清，董闯，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21