一种铜铝锰基单晶合金材料的制作方法

文档序号:14923822发布日期:2018-07-13 09:10

本发明属于金属单晶合金技术领域,具体涉及一种铜铝锰基单晶合金材料。



背景技术:

单晶合金通常具有比多晶合金更为优异的力学和功能特性,因此具有广阔的应用前景。金属材料通过传统的热处理工艺(熔炼、凝固、退火)都是多晶结构,其块材单晶合金往往只能通过一些特殊的设备和工艺才能获得,比如定向凝固工艺(1、Otsuka,K.,Wayman,C.M.,Nakai,K.,Sakamoto,H.&Shimizu,K.Superelasticity effects and stress-induced martensitic transformations in Cu-Al-Ni alloys.Acta Metall.24,207-226,1976;2、Saburi,T.,Inada,Y.,Nenno,S.&Hori,N.Stress-induced martensitic transformations in Cu-Zn-Al and Cu-Zn-Ga alloys.J.Phys.43,633-638,1982;3、Kato,H.,Dutkiewicz,J.& Miura,S.Superelasticity and shape memory effect in Cu-23at.%Al-7at.%Mn alloy single crystals.Acta Metall.Mater:42,1359-1365,1994;4、Kato,H.,Ozu,T.,Hashimoto,S.,Miura,S.Cyclic stress-strain response of superelastic Cu-Al-Mn alloy single crystals.Mater.Sci.Eng.A.264,245-253,1999;5、The reorientation of the 2H martensite phase in Cu-A1-Mn shape memory single crystal alloy.Mater.Sci.Eng.A.481-482,526-531,2008)。一些金属材料在经过宏观变形后退火或动态再结晶时会发生晶粒异常长大现象,从而可以获得单晶材料,但是这些方法仅仅能获得一些形状简单的片材或者线材(1、Goss,N.P.New development in electrical strip steels characterized by fine grain structure approaching the properties of a single crystal.Trans.ASM 23,511-531,1934;2、Humphreys,F.J.& Hatherly,M.in Recrystallization and related annealing phenomena(Elsevier,Oxford,ed.2,2004;3、Padilha,A.F.,Plaut,R.L.& Rios,P.R.Annealing of cold-worked austenitic stainless steels.ISIJ Int.43,135-143,2003;4、Ciulik,J.&Taleff,E.M.Dynamic abnormal grain growth:A new method to produce single crystal.Scr.Mater.61,895-898,2009),而且过程比较复杂,工艺繁琐,成本高,且不能获得块材的单晶材料,故不利于实际应用。

日本的Omori等人发现一种铜铝锰三元合金材料,其成分范围为(质量比)7.8%~8.8%的铝,7.2%~14.3%的锰,余量为铜(1、Omori,T.et al.Abnormal grain growth induced by cyclic heat treatment.Science 341,1500-1502,2013;2、Kusama,T.,et al.Ultra-large single crystals by abnormal grain growth.Nat.Comm.8,354-(1-9),2017)。该种合金材料不需要经过宏观变形,通过数十次的热循环即可获得超大晶粒组织,其热循环过程为:首先铸态合金在高温900℃单一相区进行均质化热处理,然后将合金缓慢冷却(冷却速度为0.5℃/分钟~3.3℃/分钟)到500℃、740℃或760℃,然后在缓慢升温(升温速度为10℃/分钟)到900℃短时保温,按照上述工艺进行数十次循环热处理后淬火。但是上述循环热处理工艺不仅耗时而且工艺极为繁琐,对升降温速率要求非常严格,不利于实际的生产应用。

到目前为止,金属单晶合金的应用并不多,主要集中在航空航天等领域,这主要是因为金属单晶合金,尤其是块材单晶合金仅仅通过特殊设备和工艺材料才可获得,生产效率低且其成本昂贵。因此开发可通过简单工艺即可获得块材单晶的金属合金材料具有非常重要的理论意义和非常广阔的应用前景。



技术实现要素:

本发明的目的在于克服现有技术缺陷,提供一种铜铝锰基单晶合金材料。

本发明的技术方案如下:

一种铜铝锰基单晶合金材料,具有厘米级别的超大晶粒结构,由多晶结构的铸态合金经800~950℃的单一相区进行1~30h的退火后获得,该铸态合金包括如下重量百分比的组分:铜70~82%,铝10~16%,锰5~12%,可选金属0.2~3%,

其中,上述可选金属与铜存在液相两相分离,其自身具有体心立方结构或能与锰、铝形成体心立方结构,且能够使合金发生体心立方的相分离现象。

在本发明的一个优选实施方案中,所述铸态合金由如下重量百分比的组分组成:铜70~82%,铝10~16%,锰5~12%,可选金属0.2~3%。

在本发明的一个优选实施方案中,所述铸态合金包括如下重量百分比的组分:铜75~80.5%,铝10~14%,锰6~12%,可选金属0.2~3%。

进一步优选的,所述铸态合金由如下重量百分比的组分组成:铜75~80.5%,铝10~14%,锰6~12%,可选金属0.2~3%。

在本发明的一个优选实施方案中,所述可选金属为钼、钨、钒或铬,

当可选金属为钼时,可选金属在所述铸态合金中的重量百分比为0.2~3%;

当可选金属为钨时,可选金属在所述铸态合金中的重量百分比为0.2~1%;

当可选金属为钒时,可选金属在所述铸态合金中的重量百分比为0.2~1%;

当可选金属为铬时,可选金属在所述铸态合金中的重量百分比为0.2~1%。

在本发明的一个优选实施方案中,所述退火的温度为800~900℃。

在本发明的一个优选实施方案中,所述退火的时间为3~30h。

本发明的有益效果是:

1、现有技术中,Omori等人所报道的铜铝锰三元合金由于铝含量在7.8%~8.8%,故所获得单晶合金是无序体心立方(A2)结构,本发明中铝含量在10%~16%之间,所获得单晶合金具有高度有序的Heusler--L21(Cu2AlMn)结构,此外,本发明中可选金属的添加导致合金发生相分离现象,故合金中除了L21相外,还存在非常细小的富可选金属元素的析出相(其尺寸在十几纳米到十几微米之间),该种析出相的存在是促使合金在高温热处理时形成超大晶粒决定性因素。

2、现有技术中,Omori等人所报道的铜铝锰三元合金必须经过数十次的热循环才可以获得超大晶粒组织,而本发明的具有相分离的四元铜铝锰基合金仅仅需要对铸态合金进行一次退火即可获得超大晶粒组织。故本发明的铜铝锰基单晶合金制备工艺极为简单,非常容易实现,具有非常好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1中的铸态合金和900℃热处理24h后所获得的具有超大晶粒的合金的照片。

图2为本发明实施例2中的铸态合金和850℃热处理24h后所获得的具有超大晶粒的合金的照片。

图3为本发明实施例4中的铸态合金和900℃热处理24h后所获得的具有超大晶粒的合金的照片。

图4为本发明实施例6中的铸态合金和900℃热处理24h后所获得的具有超大晶粒的合金的照片。

图5为本发明实施例8中的铸态合金和900℃热处理24h后所获得的具有超大晶粒的合金的照片。

图6为本发明实施例2中的铸态合金的微观组织图。其中合金由Heusler-L21(Cu2AlMn),非常细小的富Mo的A2(Mo)析出相,以及γ1(Cu9Al4)相组成。

具体实施方式

以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

本发明中所有合金都具有一个共同的微观组织结构,即都包含有由相分离现象所导致的Heusler-L21(Cu2AlMn)+富第四种合金元素的细小析出相。

实施例1

将铜、铝、锰、钼金属原料分别按铜76%,铝13%,锰10%,钼1%的质量百分比配料,然后将合金进行熔炼,在合金冷却后得到铸态合金。然后将铸态合金在900℃进行退火处理,退火时间为24h后淬火,获得具有超大晶粒组织的合金材料,其结果如图1所示,可直接获得约4cm的块材单晶。

实施例2

将铜、铝、锰、钼金属原料分别按铜79.8%,铝14%,锰6%,钼0.2%的质量百分比配料,然后将合金进行熔炼,在合金冷却后得到如图6所示的铸态合金。然后将铸态合金在850℃进行退火处理,退火时间为24h后淬火,获得具有超大晶粒组织的合金材料,其结果如图2所示,其中可获得超过2cm的块材单晶。

实施例3

将铜、铝、锰、钼金属原料分别按铜75%,铝10%,锰12%,钼3%的质量百分比配料,然后将合金进行熔炼,在合金冷却后得到铸态合金。然后将铸态合金在850℃进行退火处理,退火时间为24h后淬火,获得具有超大晶粒组织的合金材料,其中可获得超过2cm的块材单晶。

实施例4

将铜、铝、锰、钨金属原料分别按铜77%,铝13%,锰9%,钨1%的质量百分比配料,然后将合金进行熔炼,在合金冷却后得到铸态合金。然后将铸态合金在900℃进行退火处理,退火时间为24h后淬火,获得具有超大晶粒组织的合金材料,其结果如图3所示,其中可获得超过2cm的块材单晶。

实施例5

将铜、铝、锰、钨金属原料分别按铜75.5%,铝14%,锰10%,钨0.5%的质量百分比配料,然后将合金进行熔炼,在合金冷却后得到铸态合金。然后将铸态合金在900℃进行退火处理,退火时间为12h后淬火,获得具有超大晶粒组织的合金材料,其中可获得超过2cm的块材单晶。

实施例6

将铜、铝、锰、钒金属原料分别按铜76.3%,铝14%,锰9%,钒0.7%的质量百分比配料,然后将合金进行熔炼,在合金冷却后得到铸态合金。然后将铸态合金在900℃进行退火处理,退火时间为24h后淬火,获得具有超大晶粒组织的合金材料,其结果如图4所示,其中可获得超过2cm的块材单晶。

实施例7

将铜、铝、锰、钒金属原料分别按铜79%,铝12%,锰8%,钒1%的质量百分比配料,然后将合金进行熔炼,在合金冷却后得到铸态合金。然后将铸态合金在800℃进行退火处理,退火时间为30h后淬火,获得具有超大晶粒组织的合金材料,其中可获得超过2cm的块材单晶。

实施例8

将铜、铝、锰、铬金属原料分别按铜80.5%,铝12%,锰7%,铬0.5%的质量百分比配料,然后将合金进行熔炼,在合金冷却后得到铸态合金。然后将铸态合金在900℃进行退火处理,退火时间为3h后淬火,获得具有超大晶粒组织的合金材料,其结果如图5所示,其中可获得约1cm的块材单晶。

实施例9

将铜、铝、锰、铬金属原料分别按铜78%,铝13%,锰8%,铬1%的质量百分比配料,然后将合金进行熔炼,在合金冷却后得到铸态合金。然后将铸态合金在850℃进行退火处理,退火时间为24h后淬火,获得具有超大晶粒组织的合金材料,其中可获得超过1cm的块材单晶。

以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,故不能依此限定本发明实施的范围,即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖的范围内。

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