[发明专利]一种减弱甚至消除铜合金晶界处偏析的方法

说明书

一种减弱甚至消除铜合金晶界处偏析的方法。利用铸造过程中在熔体中原位生成的高度密集的纳米颗粒从三个方面减弱甚至消除合金中晶界处的偏析，包括在凝固过程中阻碍溶质再分配，同时发挥异质形核作用细化晶粒进而缩短偏析路径和分割偏析相，以及热处理过程中为偏析相组成元素提供扩散通道。本发明采用的微量合金元素及其形成的纳米颗粒需具备三个条件：纳米相形成元素在热力学上满足在基体熔体中提前析出的条件；纳米颗粒与基体的晶格错配度小，凝固过程中通过纳米颗粒的异质形核作用产生显著的晶粒细化效果，同时增强颗粒捕捉的潜力；纳米颗粒具有高于基体的哈梅克常数，为纳米颗粒的自发捕捉提供负的范德华力，工艺简单，成本低廉，能大批量生产。

技术领域

本发明涉及一种减弱合金晶界处偏析的方法。具体地说，是利用铸造过程中在熔体中原位生成的高度密集的纳米颗粒，从凝固过程中阻碍溶质再分配和发挥异质形核作用细化晶粒，以及热处理过程中为偏析相组成元素提供扩散通道这三个方面减弱甚至消除合金中晶界处的偏析的方法。

背景技术

偏析是合金铸造过程中常见的问题，这种现象的出现可以用溶质再分配的理论解释，即在金属凝固过程中，溶质原子在固相中的溶解度降低，会从固相中排出，液固界面前沿溶质原子不断富集，最终在最后凝固的部分产生偏析相[文献一M.C.Flemings,Solidification Processing,McGraw-Hill,New York,1974]。例如，对于锡青铜合金来说，由于Sn元素偏析在晶界处产生的脆性δ相(如Cu₄Sn)会恶化锡青铜合金的力学性能，减少甚至消除凝固过程中的偏析问题一直是锡青铜铸造的一个难题[文献二B.M.Li,H.T.Zhang,J.Z.Cui.Influence of Electromagnetic Field on the Solidification Structure ofC90500Tin Bronze[J].Adv.Mater.Res.,2011,156-157:1670-1674]。过去几十年里，研究者们尝试采用多种方法解决锡偏析的问题，其中包括调整浇注温度、冷却速度，应用离心铸造和施加电磁场，以及添加合金元素等方法，但效果不佳[文献三B.M.Li,H.T.Zhang,J.Z.Cui.Influence of Electromagnetic Field on the Solidification Structure ofC90500Tin Bronze[J].Adv.Mater.Res.,2011,156-157:1670-1674；文献四A.Halvaee,A.Talebi.Effect of process variables on microstructure and segregation incentrifugal casting of C92200alloy[J].J.Mater.Process Tech.,2001,118:123-127；文献五W.Ozgowicz,W.Malec,L.Ciura.Investigation on the deformability of tinbronzes CuSn6modified with zirconium on the industrial hot rolling of flatingots[J].J.Achievements in Mater.Manuf.Eng.,2007,24:78-83；文献六X.Y.Liu,W.Kane,C.J.McMahon Jr.On the suppression of dynamic embitterment in Cu-8wt％Sn by an addition of zirconium[J].Scripta Mater.,2004,50:673-677]。