CN111876631A - 一种铜锌铝基单晶合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单晶合金技术领域，尤其涉及一种铜锌铝基单晶合金及其制备方法。本发明提供的铜锌铝基单晶合金的组分中铜、锌和铝元素形成体心立方基体相，并且保证合金在850～1000℃的热处理温度区间为单一体心立方基体相。钼、钒或铬，主要促使合金具有相分离的特性，使铸态合金中存在大量纳米相。所述纳米相在850～1000℃的热处理时可固溶回基体相中，促使合金发生晶粒异常长大，是制备铜锌铝基单晶的关键因素。且本发明的铜锌铝基合金，仅仅需要对铸态合金进行一次退火即可获得超大晶粒单晶组织，制备工艺简单，容易实现，具有非常好的应用前景。

Description

一种铜锌铝基单晶合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及单晶合金技术领域，尤其涉及一种铜锌铝基单晶合金及其制备方法。

背景技术

一般情况下，金属材料在凝固过程中往往会呈现多晶的结构，而多晶合金会在应用过程中沿晶界断裂，导致其无法继续使用，故而几乎所有的金属或合金在其生产流程中都要经历一次或一次以上的热处理工艺，用来改善其性能。单晶合金由于没有晶界缺陷，通常具有特殊的理化性能。而单晶材料的制备方法也很多，例如Bridgman法、Stepanov法、Czochraski法、蒲凡法或等离子弧熔炼法等，然而上述制备方法工艺复杂，设备昂贵，实际应用难度较大。

针对上述问题，Omori等人通过将铜铝锰合金在900℃高温β单相区循环四次，之后在740℃低温α+β两相区循环四次，接着再在900℃高温β单相区保温6小时，最后淬火，得到大约70cm的单晶棒材(Kusama,T.,et al.Ultra-largesingle crystals by abnormalgrain growth.Nat.Comm.8,354-(1-9),2017；Omori,T.et al.Abnormal grain growthinduced by cyclic heat treatment.Science 341,1500-1502,2013)。但是这种工艺确实拓展了制备单晶材料的思路，提供了一种新的制备单晶的方法，但是，上述工艺在每个热处理过程中都需要严格控制温度和时间，工艺极其繁琐，也没办法实际应用。

由此可以看出，单晶材料不能广泛应用的主要原因是制备成本居高不下，只有一些特殊领域才能够使用上述制备方法制备得到的单晶，限制了单晶的应用。因此，寻找一种简单、低成本的单晶合金成了亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜锌铝基单晶合金及其制备方法，所述铜锌铝基单晶合金通过控制合金的组成，使得所述合金经过简单的退火处理即可制备得到单晶合金，降低成本。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种铜锌铝基单晶合金，按质量百分比计，包括铜70～82％，锌10～20％，铝6～10％和添加金属0.1～1％；

所述添加金属为钼、钒或铬；

所述铜锌铝基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：

将铜锌铝基铸态合金进行退火处理，制备得到所述铜锌铝基单晶合金；

所述退火处理的温度为850～1000℃，所述退火处理的时间为2～40h。

优选的，按质量百分比计，所述铜锌铝基单晶合金包括铜72～81％，锌12～18％，铝6～10％和添加金属0.1～1％。

优选的，按质量百分比计，所述铜锌铝基单晶合金包括铜74～81％，锌12～16％，铝6～10％和添加金属0.1～1％。

优选的，按质量百分比计，所述铜锌铝基单晶合金包括铜75.5～81％，锌12～14％，铝6～10％和添加金属0.1～1％。

优选的，当所述添加金属为钼时，所述添加金属的质量百分含量为0.1～1％。

优选的，当所述添加金属为钒时，所述添加金属的质量百分含量为0.1～0.5％。

优选的，当所述添加金属为铬时，所述添加金属的质量百分含量为0.1～0.8％。

本发明还提供了上述技术方案所述的铜锌铝基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：

将铜锌铝基铸态合金进行退火处理，制备得到所述铜锌铝基单晶合金；

所述退火处理的温度为850～1000℃，所述退火处理的时间为2～40h。

本发明提供了一种铜锌铝基单晶合金，按质量百分比计，包括铜70～80％，锌10～20％，铝6～10％和添加金属0.1～1％；所述添加金属为钼、钒或铬；所述铜锌铝基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：将铜锌铝基铸态合金进行退火处理，制备得到所述铜锌铝基单晶合金；所述退火处理的温度为850～1000℃，所述退火处理的时间为2～40h。本发明提供的铜锌铝基单晶合金的组分中铜、锌和铝元素形成体心立方基体相，并且保证合金在850～1000℃的热处理温度区间为单一体心立方基体相。钼、钒或铬，主要促使合金具有相分离的特性，使铸态合金中存在大量纳米相。所述纳米相在850～1000℃的热处理时可固溶回基体相中，促使合金发生晶粒异常长大，是制备铜锌铝基单晶的关键因素。且本发明的铜锌铝基合金，具有相分离的特性，仅仅需要对铸态合金进行一次退火即可获得超大晶粒单晶组织，制备工艺简单，容易实现，具有非常好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备得到的铸态合金和铜锌铝基单晶合金的照片；

图2为实施例2制备得到的铸态合金和铜锌铝基单晶合金的照片；

图3为实施例3制备得到的铸态合金和铜锌铝基单晶合金的照片。

具体实施方式

本发明提供了一种铜锌铝基单晶合金，按质量百分比计，包括铜70～82％，锌10～20％，铝6～10％和添加金属0.1～1％；

所述添加金属为钼、钒或铬；

所述铜锌铝基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：

将铜锌铝基铸态合金进行退火处理，制备得到所述铜锌铝基单晶合金；

所述退火处理的温度为850～1000℃，所述退火处理的时间为2～40h。

在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。

按质量百分比计，本发明所述的铜锌铝基单晶合金包括70～80％的铜，优选为72～81％，更优选为75.5～81％。在本发明中，所述铜的作用是与锌、铝形成体心立方bcc基体相，并且该成分合金在850～1000℃的热处理温度区间为单一bcc基体相。

按质量百分比计，本发明所述的铜锌铝基单晶合金包括10～20％的锌，优选为12～18％，更优选为12～16％。在本发明中，所述锌的作用是与铜、铝形成体心立方bcc基体相，并且该成分合金在850～1000℃的热处理温度区间为单一bcc基体相。

按质量百分比计，本发明所述的铜锌铝基单晶合金包括6～10％的铝，优选为7～8％。在本发明中，所述铝的作用是与铜、锌形成体心立方bcc基体相，并且该成分合金在850～1000℃的热处理温度区间为单一bcc基体相。

按质量百分比计，本发明所述的铜锌铝基单晶合金包括0.1～1％的添加金属，当所述添加金属为钼时，所述添加金属的质量百分含量优选为0.1～1％；当所述添加金属为钒时，所述添加金属的质量百分含量优选为0.1～0.5％；当所述添加金属为铬时，所述添加金属的质量百分含量优选为0.1～0.8％。在本发明中，所述添加金属的作用是促使合金具有相分离的特性，使铸态合金中存在大量纳米相。该种富第四组元的纳米相在850～1000℃的热处理时可固溶回基体相中，促使合金发生晶粒异常长大，是制备铜锌铝基单晶的关键因素。

在本发明中，所述铜锌铝基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：

将铜锌铝基铸态合金进行退火处理，制备得到所述铜锌铝基单晶合金；

所述退火处理的温度为850～1000℃，所述退火处理的时间为2～40h。

在本发明中，所述铜锌铝基铸态合金的制备方法优选为按照上述质量配比，将铜、锌、铝和添加金属混合后，进行熔炼，得到铸态合金。本发明对所述铜、锌、铝和添加金属的状态和纯度均无任何特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的状态和纯度即可。本发明对所述混合没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。

在本发明中，所述熔炼的温度优选为1100～1300℃，更优选为1200℃；所述熔炼的时间优选≤180min，更优选为60～120min。在本发明中，所述熔炼优选为感应炉中进行。所述熔炼完成后，本发明还优选包括冷却，本发明对所述冷却没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行冷却即可。

在本发明中，所述退火处理的温度为850～1000℃，优选为930～940℃；所述退火处理的时间为2～40h，优选为20～30h，更优选为24h。

所述退火处理完成后，本发明还优选包括淬火处理，本发明对所述淬火处理没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

注：实施例1～3所述的质量百分比可以理解为不对各原料的质量单位做要求，采用本领域技术人员熟知的质量单位按照所述质量百分比进行混合即可。

实施例1

按质量百分含量计，将76％的铜、15.5％的锌，8％的铝和0.5％的钼混合，熔炼，其中熔炼的温度为1100℃，时间为60分钟，冷却，得到铸态合金；

将所述铸态合金在930℃的条件下进行退火处理24h后，淬火，得到所述铜锌铝基单晶合金(晶粒尺寸为40mm)；

其中，图1为实铸态合金(左)和铜锌铝基单晶合金(右)的照片，由图1可知，合金微观组织在热处理前后有明显变化，铸锭为母相多晶组织，热处理后为母相单晶组织，其单晶尺寸直径14mm，长度为40mm。

实施例2

按质量百分含量计，将75.9％的铜、16％的锌，8％的铝和0.1％的钒混合，熔炼，其中熔炼的温度为1100℃，时间为60min，冷却，得到铸态合金；

将所述铸态合金在940℃的条件下进行退火处理24h后，淬火，得到所述铜锌铝基单晶合金(晶粒尺寸为40mm)；

其中，图2为实铸态合金(左)和铜锌铝基单晶合金(右)的照片，由图2可知，合金微观组织在热处理前后有明显变化，铸锭为母相多晶组织，热处理后为母相单晶组织，其单晶尺寸直径14mm，长度为40mm。

实施例3

按质量百分含量计，将77.7％的铜、14％的锌，8％的铝和0.3％的铬混合，熔炼，其中熔炼的温度为1100℃，时间为60分钟，冷却，得到铸态合金；

将所述铸态合金在930℃的条件下进行退火处理24h后，淬火，得到所述铜锌铝基单晶合金(晶粒尺寸为40mm)；

其中，图3为实铸态合金(左)和铜锌铝基单晶合金(右)的照片，由图3可知，合金微观组织在热处理前后有明显变化，铸锭为马氏体多晶组织，热处理后为马氏体单晶组织，其单晶尺寸直径14mm，长度为40mm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种铜锌铝基单晶合金，按质量百分比计，包括铜70～82％，锌10～20％，铝6～10％和添加金属0.1～1％；

所述添加金属为钼、钒或铬；

所述铜锌铝基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：

将铜锌铝基铸态合金进行退火处理，得到所述铜锌铝基单晶合金；

所述退火处理的温度为850～1000℃，所述退火处理的时间为2～40h。

2.如权利要求1所述的铜锌铝基单晶合金，其特征在于，按质量百分比计，所述铜锌铝基单晶合金包括铜72～81％，锌12～18％，铝6～10％和添加金属0.1～1％。

3.如权利要求1所述的铜锌铝基单晶合金，其特征在于，按质量百分比计，所述铜锌铝基单晶合金包括铜74～81％，锌12～16％，铝6～10％和添加金属0.1～1％。

4.如权利要求1所述的铜锌铝基单晶合金，其特征在于，按质量百分比计，所述铜锌铝基单晶合金包括铜75.5％～81％，锌12～14％，铝6～10％和添加金属0.1～1％。

5.如权利要求1～4任一项所述的铜锌铝基单晶合金，其特征在于，当所述添加金属为钼时，所述添加金属的质量百分含量为0.1～1％。

6.如权利要求1～4任一项所述的铜锌铝基单晶合金，其特征在于，当所述添加金属为钒时，所述添加金属的质量百分含量为0.1～0.5％。

7.如权利要求1～4任一项所述的铜锌铝基单晶合金，其特征在于，当所述添加金属为铬时，所述添加金属的质量百分含量为0.1～0.8％。

8.权利要求1～7任一项所述的铜锌铝基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：

将铜锌铝基铸态合金进行退火处理，制备得到所述铜锌铝基单晶合金；

所述退火处理的温度为850～1000℃，所述退火处理的时间为2～40h。

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