一种提升镍铝青铜合金强度和韧性的热处理工艺方法技术

本发明专利技术涉及一种提升镍铝青铜合金强度和韧性的热处理工艺方法，该方法包括高温固溶处理、双相组织调控处理、低温时效处理和中温马氏体回火处理几个步骤：首先将合金原始材料在β相单相区保温，保温后快速降温至(α+β)双相区，随即进行淬火处理，之后对淬火处理后的材料依次进行低温时效处理和中温短时回火处理。通过该方法所获得的材料显微组织为(α+k)相，系片层状回火马氏体和富含纳米析出的魏氏体α相的混合组织，组织中弥散分布高密度纳米k相。与现有的高强韧镍铝青铜合金制备技术相比，本发明专利技术方法可以在不施加变形加工的条件下使镍铝青铜合金具备超高强度，同时保留优异的韧塑性，可适用于对螺旋桨、轴承等复杂结构大型工件的性能优化。型工件的性能优化。型工件的性能优化。

【技术实现步骤摘要】
一种提升镍铝青铜合金强度和韧性的热处理工艺方法


[0001]本专利技术铜合金材料加工
，具体涉及到一种制备高强韧镍铝青铜合金的热处理方法。

技术介绍

[0002]镍铝青铜合金是在传统二元铝青铜合金的基础上优化成分设计而成的复杂镍铝青铜合金。通过加入一定量的铁、镍、锰等元素，使合金的相变过程复杂化，同时也使合金具备了优异的强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性。作为一种综合性能优异的铜基结构材料，镍铝青铜合金目前广泛应用在海洋工程、运输工程、能源工程、新一代通讯技术等领域。尤其是在海洋工程领域，镍铝青铜合金的耐腐蚀性能与不锈钢相当，并具有独特的抗海生物损伤能力，是全球超过70％以上螺旋桨的制备材料，也是大型船用螺旋桨的首选材料。此外，镍铝青铜合金也广泛应用于核工业、新能源工业等重点领域中阀门、泵等严苛服役条件下零部件的制备。
[0003]当前，镍铝青铜合金力学性能提升的主要方式是对合金施加塑性变形处理。通过不同形式的轧制(Rolling)、搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing)、等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing)等塑性变形手段可以使合金获得超细化的显微组织和优异的综合机械性能。Ni等利用搅拌摩擦加工对于镍铝青铜合金进行表面处理，得到了均匀、细化的显微组织，处理过的合金表面薄层具备超过 400MPa的拉伸屈服强度，断裂延伸率可以超过25％。(参见文献Metallurgical& Materials Transactions A,2011,42(8):2125
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35.)Barr等通过等通道转角挤压将制备出了一系列强度超过1000MPa、并具有一定韧性的镍铝青铜合金，但材料的加工硬化性能不足。(参见文献Journal of Materials Science,2013,48(13):4749
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57.)上述研究报道工艺的共性是仅适用于合金的局部表面强化处理或者制备小体积材料，无法制备大型块体材料或整体提升工件性能。
[0004]与上述样品尺寸受到限制的强烈塑性变形(Severe Plastic Deformation)工艺相比，强变形轧制工艺是制备高强韧大型块体材料的有效方式，也易于投入工业化大规模生产。Lv等对铸态镍铝青铜合金实施多道次等温强变形热轧，将合金的抗拉强度提升至1000MPa以上，并保留了超过5％的断裂延伸率，该研究还报道了热轧不同变形量对于合金力学性能的影响，并揭示了轧制合金的强化机制。(参见文献Materials Science&Engineering A,2015,643(17
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24.)Ma等报道了通过强变形连续温轧制备出系列极高强镍铝青铜合金的相关研究成果，并通过对轧制材料实施热处理工艺制备出一系列性能突出的高强韧镍铝青铜合金。(参见专利和文献 CN109136804A；Materials Characterization 158(2019)109986；MaterialsCharacterization(2021)111057)。专利申请CN202010130794.9也公开了一种依托纳米孪晶强化的高性能镍铝青铜合金的制备方法，该方法利用高温固溶处理、强变形对称连续热轧制、小变形非对称中温轧制和中温短时热处理等方式在组织中引入高密度纳米退火孪晶，可将合金的屈服强度提升至800MPa，同时具备超过10％的断裂延伸率。然而，尽管利用上述研究报道工艺制备的大型块体高强韧板材
已经可以用于相当多的零部件制备，但由于所使用的轧制变形工艺会破坏工件形状，无法对铸造、锻造、挤压等方式成形的工件进行二次性能提升。
[0005]对于船用螺旋桨和能源工业用泵、阀门等铝青铜合金工件进行力学性能的二次提升，采用热处理工艺是最佳手段。该方式既无需破坏零部件的结构，在工业生产中实施也具有操作便利、成本低廉等优势。目前，工业上制备螺旋桨等大型零部件主要使用的是QAl10
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4镍铝青铜合金，其铸态屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率通常分别在300MPa、800MPa和18％左右。对于该类大型零部件，通常在675℃进行2～8h的保温处理，其目的主要在于均一化零部件的显微组织，消除内应力，分解残余的β马氏体，进一步提升部件整体的腐蚀性能，而对于力学性能并没有显著的提升。
[0006]对于通过热处理工艺提升镍铝青铜合金的综合力学性能，国内外研究人员都进行了长期的探索，在优化显微组织、提升腐蚀性能等方面取得了一定的成效，但就力学性能提升而言尚未取得跨越式的突破。康全飞等对镍铝青铜合金的正火、退火、时效热处理工艺进行了研究探索，对热处理后合金的显微组织演变和腐蚀行为进行了揭示，但所获合金力学性能相比铸态合金并没有显著的提升。(参考文献中国有色金属学报,2018,28(1):9.)王智祥等对镍铝青铜的固溶时效工艺进行了研究，确定了热轧态合金的优化固溶时效工艺参数，使合金硬度可以达到HV340，但并未报道材料的塑性和拉伸性能曲线，难以作为工业化生产的实施依据。(参考文献材料导报,2016,30(16):4.)张大童等对高强变形镍铝青铜的热处理工艺进行了研究，探索出了可以实现抗拉强度900MPa、延伸率17％的热处理工艺路线，但合金的屈服强度仍较低，且没有报道拉伸曲线，无法知悉材料的具体变形行为，难以用于装备生产。(参考文献稀有金属,2010(4):5.)纪嘉明等报道了一种低合金铝青铜的热处理工艺，该研究采用二级时效的方式，主要依托k相析出强化将合金的抗拉强度提升至900MPa以上，延伸率可以超过13％。但其硬度仅有230HV左右，说明热处理得到材料的屈服强度和铸态合金相比提升不大，难以满足对屈服强度要求较高的应用场景。(参考文献热加工工艺,2019(2):4.)。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提升镍铝青铜合金强度和韧性的热处理工艺方法，可以在不施加塑性变形加工的情况下将合金的强度提升至1000MPa以上，并保留良好的韧性，适用于工业生产中对不适合变形加工的结构复杂大型镍铝青铜合金工件进行力学性能提升。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种实现镍铝青铜合金高强韧性的热处理工艺方法，包括以下步骤：
[0009](1)高温固溶处理：将镍铝青铜合金原料置于950～980℃的热处理炉中保温 1.0～6.0h，优选1.0～2.0h，获得组织均匀的单一高温β相组织；
[0010](2)双相组织调控处理：将步骤(1)处理后的材料快速冷却至700～920℃，优选750～900℃，然后淬火至室温，得到魏氏体α相和β'马氏体双相组织；
[0011](3)低温峰时效处理：将步骤(2)处理后的材料在100～350℃，优选250～350℃进行峰时效处理，保温时间为1.0～6.0h，优选2.0～4.0h，冷却至室温，得到超细的 k相、回火α相和马氏体三相组织；
[0012]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升镍铝青铜合金强度和韧性的热处理工艺方法，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950～980℃的热处理炉中保温1.0～6.0h，获得组织均匀的单一高温β相组织；(2)双相组织调控处理：将步骤(1)处理后的材料快速冷却至700～920℃，然后淬火至室温，得到魏氏体α相和β'马氏体双相组织；(3)低温峰时效处理：将步骤(2)处理后的材料在100～350℃进行峰时效处理，保温时间为1.0～6.0h，冷却至室温，得到超细的k相、回火α相和马氏体三相组织；(4)中温马氏体回火处理：对步骤(3)处理后的材料进行中温短时马氏体回火处理，回火温度为550～650℃，保温时间不超过40min，获得高强韧镍铝青铜材料。2.根据权利要求1所述一种提升镍铝青铜合金强度和韧性的热处理工艺方法，其特征在于，步骤(1)高温固溶处理中：将镍铝青铜合金原料置于热处理炉中保温时间为1.0～2.0h；步骤(2)双相组织调控处理中：快速冷却温度至750～900℃；步骤(3)低温峰时效处理中：峰时效处理温度为250～350℃，保温时间为2.0～4.0h；步骤(4)温马氏体回火处理中：回火温度为580～620℃，保温时间不超过30min。3.根据权利要求1或2所述的一种提升镍铝青铜合金强度和韧性的热处理工艺方法，其特征在于，步骤(4)所述的中温马氏体回火处理中回火时间为t1，所述t1按下式确定：t1＝d
1/2
×
min/mm
1/2
+t0×
min。其中，d为处理材料或工件的厚度，单位为mm，取值范围为d∈(1,400)；t0为常数，取值范围为t0∈[5,10]。4.根据权利要求1或2所述的一种提升镍铝青铜合金强度和韧性的热处理工艺方法，其特征在于，步骤(2)所述的双相组织调控处理中冷却速度不小于30℃/s，采取的冷却介质为水...

【专利技术属性】
技术研发人员：马硕，杨晓斌，付立铭，单爱党，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：