[发明专利]综合力学性能优异的铜镍基中熵合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种综合力学性能优异的铜镍基中熵合金及其制备方法，其中，所述合金选取Cu‑Ni‑Cr‑Mn‑Al多主元为基础的合金的成分，多主元成分保证合金形成高固溶度的FCC结构基体，Al元素的加入可以促进生成纳米弥散分布的L1₂结构强化粒子，两者结合可实现复合强韧化。合金材料通过铸造退火热处理或冷轧以及后续热处理可获得高性能的合金，室温条件下抗拉强度可达到800MPa以上并具备拉伸延伸率大于20％的塑性。所述高力学性能合金可加工成多种形式的产品，在电气和电子产业以及船舶制造等领域内有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于铜镍基合金材料制备领域，涉及高强韧性变形结构材料，尤其是电气和电子产业以及船舶制造等领域应用的高强韧性铜镍合金材料设计及其制备方法。

背景技术

铜元素和镍元素在元素周期表中互为近邻，两种金属形成连续固溶体，具有面心立方晶格，即Cu-Ni系统在液态和固态下均具有完全的溶解性。研究表明，含有2％～30％的镍的铜镍合金具有很强的耐腐蚀性和热稳定性，几乎不受应力腐蚀开裂的影响，并在蒸汽和潮湿空气中表现出很高的抗氧化性。铁，铬，铌或锰的添加可以进一步提高强度和耐腐蚀性。它们用于制造电气和电子产品，以及各种船用产品。

目前应用比较多的是Cu-Ni-Mn系铜合金，Cu-Ni-Mn合金是以Mn元素加入到Cu-Ni合金后形成的，又称锰白铜。Mn元素可与合金内的Ni元素以1:1形成MnNi化合物，且Cu:Ni＝1:1时合金沉淀强化效果最好。具有面心四方结构的有序NiMn相是合金时效强化的主要因素。吴语等对Cu-15Ni-10Mn合金的研究表明，合金最佳工艺参数为：750℃固溶2h、加工率70％以及400℃时效8h，此时合金的性能为：抗拉强度1085MPa、硬度394Hv以及延伸率1.24％。

另外比较成熟的铜镍合金是Cu-Ni-Sn系铜合金，Eash等在Cu-Sn合金中加入Ni后，发现合金具有时效现象，铸件质量得到改进，合金强度有所提高。Cahn等人提出了调幅分解理论，Schwarta首次在Cu-9Ni-6Sn中观察到调幅分解组织，为Cu-Ni-Sn合金的强化提供了理论依据。在Cu-Ni-Sn三元合金中，Ni的加入可以抑制Sn的溶解度，而Sn元素的含量对时效过程产生影响。Zhang等通过研究Cu-15Ni-8Sn合金发现，Cu-15Ni-8Sn合金晶粒得到细化，Sn偏析控制在微米级。γ沉淀相(D₀₃)分布在晶界以及基体α相上，合金的屈服强度以及抗拉强度分别达到520MPa和653MPa，延伸率可达17％。

第三种时效强化型铜合金为Cu-Ni-Si合金，Lei等通过研究Cu-6.0Ni-1.0Si-0.5Al-0.15Mg-0.1Cr合金发现流变应力增加到峰值后随变形时间增加而降低，表现出连续动态再结晶。动态再结晶发生在晶粒内的特殊位置，低温(750～800℃)下在剪切带以及形变带上形核，高温(850～900℃)下在基体晶粒内以及晶界处形核。通过优化参数得到最佳性能为：硬度341HV，抗拉强度1090MPa，屈服强度940MPa，延伸率3.5％。

Zhang等通过研究Cu-2.0Ni-0.5Si-0.15Ag合金发现经900℃固溶，再经不同冷变形并时效后第二相呈弥散分布。当变形量为40％，450℃时效2h后，其显微硬度达到203HV，与未经过预冷变形的合金相比，合金的显微硬度较高，这是由于时效前的预冷变形促进合金在时效过程中第二相的析出。合金经40％预冷变形，450℃时效4h时效后，其抗拉强度达到675MPa。Huang等通过研究Cu–4.5Ni–1.2Co–1.0Si–0.15Mg合金发现经两步热机械处理后，硬度为329HV，屈服强度为1086MPa，伸长率为3.6％。

上述研究表明，目前铜镍基合金在制备态下强度以及塑性综合性能较低，表现在强度高塑性低、塑性高强度低的弱点，存在着很显著的“韧性-强度”之间的此消彼长(trade-off)的效应，在一定程度上制约了高性能CuNi基合金作为承力结构件比如电气和电子产业以及船舶制造等领域中耐蚀、耐磨传动齿轮的开发与应用。