[发明专利]一种铜合金纳米梯度材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜合金纳米梯度材料的制备方法，属于金属材料加工技术领域。

背景技术

材料的组织结构直接影响着材料的使用性能，为了满足服役环境对材料性能 (如强度、硬度、摩擦磨损、腐蚀、疲劳寿命和应力分布等) 的特殊需求，人们相继提出了多种表面改性技术，例如喷丸、电镀、喷涂、气相沉积 (PVD、CVD)、离子注入、表面激光处理和表面化学处理等。这些技术通过改善材料表面的组织结构而极大地提高了材料的服役行为，因此已在工业上取得了广泛的应用。随着纳米材料与纳米技术研究的不断深入，将传统的表面改性技术与纳米制备技术相结合有可能为实现工程金属材料的纳米化提供一个新的发展方向。

在过去的二十多年，纳米材料与纳米技术的研究异常活跃，这主要是因为纳米材料具有独特的结构和优异的性能，研究纳米材料不仅进一步深化了人们对固体材料本质结构特征的认识，同时也为新一代高性能材料的设计、开发提供了材料和技术基础。迄今为止，人们已开发出多种纳米材料制备方法，如金属蒸发冷凝—原位冷压成型法、非晶晶化法、机械研磨法和强烈塑性变形法等。但是，由于制备工艺复杂、生产成本高和材料外形尺寸有限、内部存在界面污染、孔隙类缺陷多等因素的制约，现有的制备技术还未能在工程金属材料上取得实际应用。

在服役环境下，金属材料的失稳多始于表面，因此只要在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，与心部渐变形成梯度材料，就可以通过表面到心部组织和性能的互补优化提高材料的整体性能和服役行为。表面纳米化技术和表面纳米化材料有许多独特之处：首先，表面纳米化采用常规表面处理方法 (或对常规表面处理方法进行改进) 即可实现，在工业上应用不存在明显的技术障碍；其次，表面纳米晶组织与基体组织之间不存在明显的界面，不会发生剥层和分离；第三，表面纳米化既适用于材料的整体、又可用于局部的表面改性。由于表面纳米化既着眼于目前的科学技术水平、又面向实际工程应用，因此有可能为利用纳米技术明显地提高传统工程金属材料的性能和使用寿命提供一条切实可行的途径。

铜有优良的特性，在工业上得到广泛应用，但是铜的强度和硬度都很低，一些重要的场合难以使用，加入其他合金元素固溶强化或第二相强化后，可提高其强度；通过大塑性变形的方法来制备超细晶材料，超细晶材料由于具有大量的晶界有效地阻碍了位错的运动，可提高强度；但对大塑性制备的块体超细晶或纳米晶材料来说，塑性较低，成为其在工业上应用的一个障碍。

为了解决以上现有技术的缺点，获得强度和塑性都好的铜合金材料，本发明采用在金属材料表面纳米化试验机上通液氮的真空环境下利用高速小钢球撞击试样表面，在合金制备超细晶纳米梯度材料，表层具有极高的强度、硬度，心部具有较高的韧性。晶粒组织和应力梯度的变化，使这种材料具有优良的塑性和强度。

发明内容

本发明是在通液氮的真空低温环境下，对铜合金板进行高应变速率的表面高能撞击处理，在铜合金板表面形成一层稳定的超细晶纳米梯度材料，从而制备出高强韧性的铜合金梯度材料的方法，具体包括以下步骤：

（1）将浇铸出来的Cu-Al-Zn三元铜合金铸锭在800~840℃的温度下真空均匀化退火2~3小时，然后轧制成厚度为3mm~4.5mm薄板，再在550~600℃的温度下去应力退火2~3小时；

（2）在通液氮的真空环境下将步骤（1）中处理过的薄板在表面纳米化试验机上用160~200颗直径为6~8mm的钢球进行高速撞击变形处理5~30min制备得到铜合金纳米梯度材料。

本发明步骤（2）中所述撞击变形处理过程使用表面纳米化试验机完成，试验机的工作频率为20Hz~50Hz。

本发明的有益效果是：

（1）本发明结合传统的退火工艺和表面激烈塑性变形的方法获得高强韧性的铜合金纳米梯度材料，制备方法简单；

（2）本发明所述方法得到的铜合金梯度材料具有从表面到心部组织和应力的梯度分布的特点，表层的高强度和心部的高塑性实现强韧性的良好配合；

（3）本发明资金投入成本低，易实现产业化生产，产品质量稳定。

附图说明

图1为实施例1~2制备得到的Cu-Al-Zn三元铜合金的拉伸曲线；

图2为实施例3~4制备得到的Cu-Al-Zn三元铜合金的拉伸曲线；

图3为实施例1~2制备得到的Cu-Al-Zn三元铜合金的显微硬度曲线。

 具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。