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

本发明专利技术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Cu

A high density nano twin high performance Ni Al Bronze alloy plate and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于铜合金材料加工
，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。
技术介绍
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ProgressinMaterialsScience,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ActaMaterialia,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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％。本专利技术选取初始厚度大于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，本专利技术具有以下优点：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n(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；/n(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；/n(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；/n(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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：单爱党，付立铭，马硕，
申请(专利权)人：交大材料科技江苏研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32