后处理和微量Ti添加对Cu-Ni-Al合金析出行为与性能的影响

作     者：陈剑坤 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕振林

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Cu-Ni-Al合金 析出相 织构演变 动力学 摩擦磨损性能 

摘      要：随着高新技术产业的快速发展,新一代材料呈现出向超高性能、高纯度、高迭代发展的趋势。我国作为全球最大的铜材消费国,但高性能铜合金的自主生产无法满足国内需求,仍主要依靠进口。研制一种成本低廉、性能优良的新型铜合金,对我国各大基础产业的发展来说,具有较为突出的现实意义。Cu-Ni-Al合金理论上符合高性能铜合金的成分选取原则,然而,从已有的Cu-Ni-Al三元合金的相图中,其富铜的区域可以看作是个单相区,若能证实Cu-Ni-Al合金在其富铜端经一系列处理后,能够生成细小且均匀分散的析出相,那么Cu-Ni-Al将具备成为新一代高性能铜合金的潜力。本文就Cu-Ni-Al三元合金相图富铜端是否能够形成沉淀相,进行了一系列的探讨与研究。通过对富铜端合金铸态、时效态的析出相的微观特征,分析了不同状态下的析出相的形态和化学组成,并探讨了合金的组织演化和织构演化。在此基础上,通过对Cu-Ni-Al 合金的析出过程进行了系统的研究,探讨了 Ni/Al 质量比的改变对 Cu-Ni-Al 合金的微观结构和性能的影响,并对影响沉淀相析出的因素进行了分析,得出了最佳的热处理工艺和组分比例。最后,本文还对Ti的加入对Cu-Ni-Al合金析出相的影响进行了深入的探讨。本文的主要结论是:(1)采用熔铸技术,制备了成分位于Cu-Ni-Al相图富铜区的合金,其铸态合金晶粒内部有长500nm左右棒状初生相生成,对初生相进行表征,确定其为NiAl相。时效态合金中,形成了大量尺寸为2～5 nm的颗粒状析出物,经标定确定其为Ni3Al相,与铜基体呈半共格状态。结果表明,Cu-Ni-Al三元合金相图富铜端不是单相区,意味着Cu-Ni-Al 可以作为一种高性能铜合金被研究开发和生产应用。(2)正交试验结果表明,时效温度对Cu-Ni-Al合金析出相的形成有重要影响,最佳时效温度为550℃,而Ni/Al质量比是影响析出相生成的次要因素,其最佳质量比为7:1。与铸态合金相比,在最佳工艺条件下,导电率指标约提高了 36.9%,硬度指标约提高了 95.9%,抗拉强度约提高了 87.8%。(3)轧制过程促进了 Cu-Ni-Al合金内部形变孪晶的生成,随着形变量的增多,合金织构强度逐渐增强。当形变量为90%时,Cu-Ni-Al合金的轧制样品中存在强度较大的S型和Brass型取向,这是典型的黄铜型织构。轧制处理促进了 Cu-Ni-Al合金的织构向黄铜型织构演变。(4)Ti的加入使铸态Cu-Ni-Al-(Ti)合金内部初生相由棒状转为10 μm以上长条状。时效后生成的颗粒状析出相仍为Ni3Al相。根据Cu-Ni-Al-(Ti)合金在550℃时效的相变动力学方程,Ti元素的加入加速了时效过程析出相的析出,细化合金晶粒,促进不连续析出相的产生,并形成层状结构。(5)随Ti含量的增加,合金的导电性能和硬度都呈现先升高后降低的趋势,Ti含量为0.2wt.%时达到峰值,分别为23.76%IACS和210.02HV30。较不添加Ti元素的试样性能指标分别提高了 18.1%和32.9%。Ti含量对Cu-Ni-Al-(Ti)合金的摩擦磨损性能影响较为显著。CuNiAl0.1Ti合金摩擦磨损性能最为优异。与铸态合金比较,时效状态下的粘着磨损程度明显减小,疲劳磨损加剧。