鈦青銅

銅合金以其優良的導電、傳熱性能在工程上獲得了廣泛應用。隨着科學技術的進步, 現代工業裝備的發展對銅合金的綜合性能提出了新的要求, 期望其保持導電性的同時還具備高強度和耐熱性。高強度、耐熱、導電銅合金的代表材料為CuCo2Be合金, 該材料在國內外已有多年的應用, 但由於合金元素Co、Be的資源緊缺和價格昂貴使得CuCo2Be合金成本一直很高, 且CuCo2Be合金在熔鑄過程中產生的鈹及其化合物粉塵是毒性最為嚴重的工業污染物,含鈹銅合金的生產對環境和人體健康構成了極大威脅, 促使材料工作者及相關產業致力於研製和開發含鈹銅合金的代用材料。目前已見應用報道並形成了行業標準的鈹青銅代用材料是CuNi2SiCr合金, 該合金強度較高, 但導電性能較CuCo2Be合金降低了15%左右, 故其應用領域受到一定限制。文中研究的鈦青銅的綜合性能達到了CuCo2Be合金水平, 但該材料工藝條件要求苛刻, 在工業化生產中質量控制難度大, 因此開展該材料的熱加工工藝及組織性能研究意義重大。

鈦青銅材料的化學成分中Ni和Ti組成金屬間化合物, 通過沉澱析出對基體進行強化, 是合金中的主要強化相;Cr和Zr可細化晶粒、提高材料的熱強性, 同時也存在析出強化作用;B和RE在合金中淨化晶界、提高合金的導電性能。因此, 鈦青銅的熱處理主要包含固溶和時效工藝 ^[1]  。

鈦青銅固溶處理的目的是使第二相粒子充分、均勻地溶入基體內, 並經快冷(水淬)得到過飽和固溶體, 為材料的冷變形和沉澱強化作準備。確定合金固溶的有效性是通過檢驗溶質原子在基體中的溶解度來實現的, 第二相粒子在基體中的溶解度越大, 所引起的晶格畸變越顯著, 致使材料對電子的散射能力增強, 在宏觀上表現為導電性能下降, 在冷變形量固定條件下材料成品時的晶粒度與固溶温度相關, 通過測量固溶處理後材料的導電性及成品時的晶粒度來確定最佳固溶温度。材料在940℃ ×1h(水淬)條件下固溶最充分, 但是在冷變形量固定條件下材料成品時的晶粒度與固溶温度相關, 合金晶粒度越大對超聲波的衰減越明顯, 所以在確定固溶温度時應考慮材料的晶粒度,選擇900℃ ×1h(水淬)為固溶處理工 ^[2]  藝。

合金固溶後的冷變形可增加晶體內部的位錯密度, 顯著提高其強度和硬度, 為時效析出提供空間,冷變形引起的晶格畸變較少, 因而對合金的電導率影響較小, 鈦青銅槽楔等產品多采用自由鍛成形。在相同時效温度條件下, 合金硬度的峯值時間與冷變形率成反比, 亦即加大冷變形量可縮短時效時間, 實踐表明大變形量時合金的晶粒細小, 但易誘發鍛件內部裂紋和析出物的偏聚現象, 變形量太小晶粒不夠細, 又不滿足超聲波探傷的基本條件, 因此材料冷變形量應控制在15% ～ 25%之間。

合金經固溶和冷變形後的時效處理是沉澱強化合金的關鍵工藝, 在該工藝下第二相粒子從固溶體內勻分析出, 彌散分佈在基體中形成沉澱相, 沉澱相能有效阻止晶界和位錯的移動, 從而大大提高合金強度, 同時固溶體脱溶後晶格畸變得以恢復, 材料的導電性能獲得提升。鈦青銅獲得峯值硬度的時間與時效温度呈反比, 而其延伸率隨時效温度和時間的提高而增加, 試驗表明鈦青銅的導電率主要隨時效時間延長而提高, 但逐漸呈飽和趨勢。鈦青銅在欠時效時塑性和導電率偏低, 過時效時塑性和導電率較高, 但晶粒明顯長大, 不利於超聲波探傷檢驗, 生產汽輪發電機槽楔時應選擇硬度峯值時間, 其時效温度在500 ～ 520℃較為理想 ^[3]  。

鈦青銅在典型的熱處理及變形工藝條件下的綜合性能達到了美國PDS13411 AL和ASTM B441所規定的鈹鈷銅合金的性能水平。斷口的韌窩內存在細小的粒子, 韌窩形狀顯示為等軸韌窩, 韌窩尺寸比較均勻, 説明材料的塑性能力較高, 且第二相粒子分佈均勻, 體現了彌散強化特徵。斷口上可以明顯看出韌窩的形狀, 保持了一定的塑性, 斷口氧化也較輕, 説明材料有良好的熱強性和抗氧化性。

鈦青銅採用900℃固溶後不同時效工藝條件下的金相組織, 可以看出材料的晶粒度對温度的敏感性較強, 隨時效温度升高晶粒明顯變大。當固溶温度一定時, 在510 ±10℃範圍內時效, 材料的強塑性有良好的匹配, 且晶粒度滿足探傷的基本要求,加工方向平行面的金相組織, 該截面上存在許多孿晶, 孿晶對材料有一定的強化作用, 在超聲波作用下孿晶相互運動而吸收能量, 使超聲波產生衰減, 因此在進行超聲波探傷時應考慮這一因素進行適當補償 ^[2]  。

高強度、耐熱、導電鈦青銅的合金元素總量小於3.5%, 屬於高銅合金, 在固溶強化合金中鈦等元素對導電性能的影響比較大, 而時效析出的第二相顆粒對銅合金導電性的影響在3%IACS以下, 合金主要是通過沉澱強化來獲得高強度和保持其導電性能。由衍射花樣標定顯示該相是純Cr, Cr相的顆粒尺寸在500nm左右。在TEM下觀測的銅基體上的彌散析出相, 析出相的尺寸在20 nm左右, 通過對衍射花樣的標定, 證明該析出相為Ni3Ti, 基體為純銅組織。對於析出相的尺寸越大合金的強度和硬度就會越低, 因此鈦青銅的主要強化相為金屬間化合物Ni3 Ti, 析出的Cr相由於尺寸較大, 對合金強度的貢獻量相對有限。在合金中Zr以怎樣的形式還有待於研究, 理論研究表明在該合金中還可能存在CuxZr的析出相, 在大量的實驗研究中未能找出證明依據, 所以在文中成分特徵條件下的鈦青銅屬於複合析出強化機制。由導電理論可知金屬間化合物呈現大電阻特徵, 但析出相的體積分數較小, 故材料仍保持良好的導電性能 ^[3]  。

1)鈦青銅經900℃ ×1h(水淬)+20%(冷變形)+510℃ ×1.5h熱處理條件下的室温性能如下:σb為720MPa, σ0.2為640MPa, δ5 為15%, HRB為96, 電導率為50%IACS;在427℃試驗條件下的力學性能如下:σb為530MPa, σ0.2為460 MPa, δ5 為5%, 達到了PDS13411 AL和ASTMB441所規定的鈹鈷銅合金性能指標。

2)鈦青銅是以Ni3 Ti和Cr複合沉澱強化, 其中Ni3Ti析出相的尺寸在20nm左右, 在基體上呈彌散分佈為主強化相。

3)與鈹鈷銅相比鈦青銅的晶粒度對温度敏感性強, 材料應避免在過時效狀態下使用 ^[1]  。