一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法，包括如下步骤：将Cu-Al或Cu-Zn合金行固溶处理；固溶处理时的Cu-Al或Cu-Zn合金先炉冷，再进行盐水冷却；将盐水冷却后的Cu-Al或Cu-Zn合金在液氮中浸泡；迅速对Cu-Al或Cu-Zn合金进行等通道变形；对等通道变形后的Cu-Al或Cu-Zn合金进行深冷处理。该方法制备的纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金材料的显微硬度和强度显著提高，且具有良好的塑性，该方法生产工艺简单，在不改变样品和尺寸的情况下，可实现大尺寸样品的纳米孪晶合金的制备。
【专利说明】一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于纳米孪晶材料的制备领域，尤其是一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金 的制备方法。
【背景技术】
[0002] Cu-Al或Cu-Zn合金具有优异的物理、化学、机械、耐磨和耐腐蚀性能，是一类综合 性能优良的工程材料，被广泛使用于机械、汽车制造、家电等行业中。铜铝合金价格相对便 宜，也成为一些昂贵金属材料的部分替代品，如替代锡青铜、不锈钢、镍基合金等。但随着科 学技术的进步，普通的铜铝合金的硬度、强度等力学性能已不能满足实际应用，迫切需要进 一步提高合金的综合力学性能。
[0003] 现阶段，强化材料的基本途径主要有应变强化、相变强化、固溶强化、细晶强化和 第二相弥散强化等。这些强化方法的实质都是将各种缺陷（点、线、面、体缺陷）引入材料 内部，阻碍位错运动来提高从而材料强度。然而这些传统的强化方式不可避免会使材料的 塑性、韧性或导电性能显著降低。
[0004] 孪晶界是一种特殊的低能态共格晶界，孪晶界就是孪生面，两侧晶体以此面为对 称面，构成镜面对称关系。同大角度晶界一样，孪晶界也可以有效地阻碍位错的运动，从而 强化材料。但是微米或亚微米级别的孪晶片层的强化效果并不明显，只有将孪晶片层的厚 度细化至纳米级别其强化效果才开始显现。当孪晶片层变薄以至于位错塞积无法实现时， 将需要非常高的外加应力促使单个位错穿过孪晶界，从而使得材料的强度得到提高。孪晶 界可以有效的吸收位错，并且位错滑移过程中会造成孪晶界的迀移，可以有效的释放变形 过程中产生的应力集中，使得孪晶界可以容纳可观的塑性变形。因此，孪晶界不仅可以阻碍 位错运动来强化材料，同时又可以吸纳位错从而承受较大的塑性变形。
[0005] 中国专利号为102400188,公开了 "一种〈111>织构纳米孪晶Cu块体材料的制备 方法"，该方法采用电解沉积技术制备纳米孪晶Cu，提高了纯Cu的强度、电导率及塑性。但 是工艺要求较高，且制备出的纳米孪晶Cu的厚度仅为390?1120微米。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种制备工艺简单，在不改变样品形状 和尺寸的情况下，获得大尺寸纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金，提高Cu-Al或Cu-Zn合金的综 合力学性能的制备方法。
[0007] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0008] -种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法，包括如下步骤：
[0009] (1)对Cu-Al或Cu-Zn合金进行固溶处理；
[0010] (2)固溶处理时的Cu-Al或Cu-Zn合金先炉冷，再进行盐水冷却，使合金的温度与 液氮温度相同；
[0011] (3)将盐水冷却后的Cu-Al或Cu-Zn合金在液氮中浸泡；
[0012] (4)迅速对Cu-Al或Cu-Zn合金进行等通道变形；
[0013] (5)对等通道变形后的Cu-Al或Cu-Zn合金进行深冷处理。
[0014] 进一步地，所述的Cu-Al合金中Al的含量为2. 2?7. 0% (质量百分数）。
[0015] 进一步地，所述的Cu-Zn合金中Zn的含量为10?30% (质量百分数）。
[0016] 进一步地，步骤（1)所述的固溶处理温度800?900°C，保温时间1. 5?2h。
[0017] 进一步地，步骤（2)所述的炉冷过程是随炉冷却至500?600°C。
[0018] 进一步地，步骤（3)所述的在液氮中浸泡时间为5?30min。
[0019] 进一步地，步骤（4)所述的等通道变形的模具内角9为120°，模具外角$为0°
[0020] 进一步地，步骤（5)所述的深冷处理是将变形后的Cu-Al或Cu-Zn合金浸泡在液 氮中40?50min。
[0021] 本发明具有如下优点：
[0022] 通过将Cu-Al或Cu-Zn合金在液氮中浸泡处理，有效抑制塑性变形中位错滑移，促 进形变孪生，从而提高纳米孪晶的密度；由于等通道变形不改变试样的形状和尺寸，有利于 高密度孪晶块体铜合金的实际应用；深冷处理可以进一步优化材料的力学性能，本方法制 备的纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的综合力学性能明显高于普通的Cu-Al或Cu-Zn合金， 且制备工艺简单，可以实现大尺寸样品的纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明所述的等通道变形过程的示意图。
[0024] 图2为本发明实施例1中Cu-2. 2% Al合金的透射电镜照片。
[0025] 图3为本发明实施例2中Cu-4. 5% Al合金的透射电镜照片。
[0026] 图4为本发明实施例3中Cu-7. 0% Al合金的透射电镜照片。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并 不限于此。
[0028] 实施例1
[0029] 将 Cu-2. 2% Al 合金加工成 12. 2mmX 12. 2mmX80mm 的方料。
[0030] 对Cu-2. 2% Al合金进行固溶处理，固溶温度为800°C，保温时间为I. 5h，对Cu-Al 合金进行固溶处理，可以起固溶强化的作用，在随后的冷却过程中，先将合金随炉冷却到 500?600°C，再进行盐水冷却，使Cu-Al合金内部组织更加均匀。
[0031] 盐水冷却后的Cu-2. 2% Al合金浸泡在液氮中5min，迅速进行一道次等通道变形， 如图1所示，进行等通道变形的模具内角9为120°，模具外角步为0°，变形速度为15? 60mm/min。对等通道变形后的Cu-2. 2% Al合金进行深冷处理，浸泡在液氮中40min，通过 深冷处理进一步优化材料的力学性能。
[0032] 图2为采用上述方法制备的纳米孪晶Cu-2. 2% Al合金的透射电镜照片，从透射 电镜照片中可以明显观察到纳米孪晶片层。Cu-2. 2% Al合金的综合力学性能也得到了明 显的提高，显微硬度由Hv55提高到Hvl88,屈服强度由57MPa提高到378MPa，抗拉强度由 211MPa 提高到 388MPa，延伸率 16. 5%。
[0033] 实施例2
[0034] 将 Cu-4. 5% Al 合金加工成 12. 2mmX 12. 2mmX80mm 的方料。
[0035] 对Cu-4. 5% Al合金进行固溶处理，固溶温度为900 °C，保温时间为2h，对Cu-Al 合金进行固溶处理，可以起固溶强化的作用，在随后的冷却过程中，先将合金随炉冷却到 500?600°C，再进行盐水冷却，使Cu-Al合金内部组织更加均匀。
[0036] 盐水冷却后的Cu-4. 5% Al合金浸泡在液氮中30min，迅速进行一道次等通道变 形，模具内角cP为120°，模具外角it为0°，变形速度为15?60mm/min。对等通道变形后 的Cu-4. 5% Al合金进行深冷处理，浸泡在液氮中50min，通过深冷处理进一步优化材料的 力学性能。
[0037] 图3为采用上述方法制备的纳米孪晶Cu-4. 5% Al合金的透射电镜照片，从透射电 镜照片中可以明显观察到纳米孪晶片层。Cu-4. 5% Al合金的综合力学性能也得到了更加 明显的提高，显微硬度由Hv71提高到Hv208,屈服强度由66MPa提高到476MPa，抗拉强度由 210MPa提高到502MPa，延伸率为15. 4%。
[0038] 实施例3
[0039] 将 Cu-7. 0% Al 合金加工成 12. 2mmX 12. 2mmX80mm 的方料。
[0040] 对Cu-7. 0% Al合金进行固溶处理，固溶温度为850°C，保温时间为I. 5h，对Cu-Al 合金进行固溶处理，可以起固溶强化的作用，在随后的冷却过程中，先随炉冷却到500? 600°C，再进行盐水冷却，使Cu-Al合金内部组织更加均匀。
[0041] 盐水冷却后的Cu-7. 0% Al合金浸泡在液氮中15min，迅速进行一道次等通道变 形，模具内角tP为120°，模具外角it为0°，变形速度为15?60mm/min。对等通道变形后 的Cu-7. 0% Al合金进行深冷处理，浸泡在液氮中40min，通过深冷处理进一步优化材料的 力学性能。
[0042] 图4为上述方法制备的纳米孪晶Cu-7. 0% Al合金的透射电镜照片，可以明显观察 到进一步细化的纳米孪晶片层。Cu-7. 0% Al合金的综合力学性能也得到了更加明显的提 高，显微硬度由Hv95提高到Hv232,屈服强度由91MPa提高到591MPa，抗拉强度由365MPa 提高到607MPa，延伸率为17. 1%。
[0043] 实施例4
[0044] 将 Cu-IO% Zn 合金加工成 12. 2_X 12. 2_X 80mm 的方料。
[0045] 对Cu-10% Zn合金进行固溶处理，固溶温度为800°C，保温时间为I. 5h，对Cu-Zn 合金进行固溶处理，可以起固溶强化的作用，在随后的冷却过程中，先将合金随炉冷却到 500?600°C，再进行盐水冷却，使Cu-Zn合金内部组织更加均匀。
[0046] 盐水冷却后的Cu-10% Zn合金浸泡在液氮中5min，迅速进行一道次等通道变形， 模具内角9为120°，模具外角it为0°，变形速度为15?60mm/min。对等通道变形后的 Cu-10% Zn合金进行深冷处理，浸泡在液氮中40min，通过深冷处理进一步优化材料的力学 性能。
[0047] 采用上述方法制备的纳米孪晶Cu-10% Zn合金的综合力学性能也得到了更加明 显的提高，显微硬度由Hv57提高到Hvl50,屈服强度由62MPa提高到367MPa，抗拉强度由 195MPa提高到381MPa，延伸率为12. 8%。
[0048] 实施例5
[0049] 将 Cu-30% Zn 合金加工成 12. 2mmX 12. 2mmX80mm 的方料。
[0050] 对Cu-30 % Zn合金进行固溶处理，固溶温度为900 °C，保温时间为2h，对Cu-Zn 合金进行固溶处理，可以起固溶强化的作用，在随后的冷却过程中，先将合金随炉冷却到 500?600°C，再进行盐水冷却，使Cu-Zn合金内部组织更加均匀。
[0051] 盐水冷却后的Cu-30 % Zn合金浸泡在液氮中30min，迅速进行一道次等通道变形， 模具内角cP为120°，模具外角it为0°，变形速度为15?60mm/min。对等通道变形后的 Cu-10% Zn合金进行深冷处理，浸泡在液氮中40min，通过深冷处理进一步优化材料的力学 性能。
[0052] 采用上述方法制备的纳米孪晶Cu-30% Zn合金的综合力学性能也得到了更加明 显的提高，显微硬度由Hv71提高到Hvl98,屈服强度由76MPa提高到465MPa，抗拉强度由 202MPa提高到478MPa，延伸率为12. 1%。
[0053] 所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不 背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换 或变型均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法，包括如下步骤： (1) 对Cu-Al或Cu-Zn合金进行固溶处理； (2) 固溶处理时的Cu-Al或Cu-Zn合金先炉冷，再进行盐水冷却； (3) 将盐水冷却后的Cu-Al或Cu-Zn合金在液氮中浸泡，使合金的温度与液氮温度相 同； (4) 迅速对Cu-Al或Cu-Zn合金进行等通道变形； (5) 对等通道变形后的Cu-Al或Cu-Zn合金进行深冷处理。
2. 根据权利要求1所述的一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法，其特征在于： 所述的Cu-Al合金中Al的含量为2. 2?7. 0% (质量百分数）。
3. 根据权利要求1所述的一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法，其特征在于： 所述的Cu-Zn合金中Zn的含量为10. 0?30. 0% (质量百分数）。
4. 根据权利要求1所述的一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法，其特征在于： 步骤（1)所述的固溶处理温度800?900°C，保温时间1. 5?2h。
5. 根据权利要求1所述的一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法，其特征在于： 步骤（2)所述的炉冷过程是随炉冷却至500?600°C。
6. 根据权利要求1所述的一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法，其特征在于： 步骤（3)所述的在液氮中浸泡时间为5?30min。
7. 根据权利要求1所述的一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法，其特征在于： 步骤（4)所述的等通道变形的模具内角φ为120°，模具外角Φ为0°。
8. 根据权利要求1所述的一种纳米孪晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制备方法，其特征在于： 步骤（5)所述的深冷处理是将变形后的Cu-Al或Cu-Zn合金浸泡在液氮中40?50min。
【文档编号】C22F1/08GK104451486SQ201410613914
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】魏伟, 荀永德, 魏坤霞, 杜庆柏, 胡静 申请人:常州大学