[发明专利]一种提升镍铝青铜合金强度和韧性的热处理工艺方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明铜合金材料加工技术领域，具体涉及到一种制备高强韧镍铝青铜合金的热处理方法。

背景技术

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。

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):2125-35.)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 MaterialsScience,2013,48(13):4749-57.)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。

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 ScienceEngineering A,2015,643(17-24.)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 Characterization158(2019)109986；Materials Characterization(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。