[发明专利]一种Cu-Cr-Nb-Zr系合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Cu‑Cr‑Nb‑Zr系合金及其制备方法。具体为：将阴极Cu、CuCr、CuNb、CuZr中间合金放置在真空感应炉中的坩埚中进行熔炼，浇注至水冷铜浇铸模中进行快速冷却，得到Cu‑Cr‑Nb‑Zr铸锭。铸锭经机械加工、固溶处理、时效处理后即得到Cu‑Cr‑Nb‑Zr合金成品。本发明通过控制Cr、Nb质量分数比实现析出相的比例与分布控制，在晶界处生成粗大的耐高温相Cr₂Nb相稳定晶界，晶内生成细小Cr析出相强化基体，实现Cu‑Cr‑Nb合金抗高温蠕变性能的提升，通过采用非粉末冶金的合金制备工艺实现材料制备低成本化。

技术领域

本发明涉及铜合金制备技术领域，具体涉及一种高抗蠕变Cu-Cr-Nb-Zr系合金及其制备方法。

背景技术

CuCrZr合金因组织中含有尺度小于10nm的Cr沉淀相表现出较高的室温强度，但是现有的CuCrZr合金在高于400℃的温度下具有较差的抗蠕变性，这是由于Cr沉淀相在高于400℃的高温下快速粗化且该合金缺乏其他钉扎晶界的第二相。相比之下，CuCrNb合金(典型合金为Cu-8Cr-4Nb，at.％)由于在晶体内与晶界处分布着大量Cr₂Nb相而具有较高的高温抗蠕变性能。但CuCrNb合金中由于Nb的原子分数较高，合金中所有Cr原子均与Nb共同生成了Cr₂Nb相。CuCrNb合金中由于含有较高含量的Cr与Nb元素，需要采用高成本的粉末冶金工业进行制备才能避免在常规熔铸工艺过程中形成过于粗大的Cr₂Nb相。高昂的制造成本使得CuCrNb合金仅能应用在高端的火箭发动机燃烧室内壁，限制了该类合金的应用。铜合金材料高温蠕变的机制主要为晶界滑移机制、位错运动机制等，为了提高铜合金的高温抗蠕变性能，需增加合金中稳定晶界、抑制位错滑移的第二相。因此，需要在现有铜合金的基础上开发一种铜合金，不仅具有较低的制造成本，同时通过添加第二相元素来提高材料高温抗蠕变性能。

专利“一种高强高导铜合金棒材的制备方法”(CN 107586977 B)和专利“一种Cu-Cr-Nb合金的制备方法”(CN 107653386 B)分别公开了采用在氩气保护的真空感应熔炼炉中结合细直径石墨模具浇铸和单纯采用氩气保护真空感应熔炼炉进行熔炼制备高强高导CuCrNb合金的方法。合金中按照质量百分比规定，Cr含量为0.5-1.5％、Nb含量为0.1-0.5％，由于未明确限制Cr/Nb元素的比例，添加净化晶界的元素，未能实现显微组织中析出相的分布的准确控制。专利CN111440963B、CN112553500A、CN110218897A中均采用气雾法制备CuCrNb合金粉末，随后利用热压、SPS等工艺实现合金制备，合金中添加了价格昂贵的稀有元素Co、Ti、稀土元素等合金元素，增加了原料成本，同时在制备工艺过程中，气雾化能耗成本也较高，合金制备工艺繁琐，不利于合金制备的低成本化。根据目前的文献检索，当前有关Cu-Cr-Nb合金及其制备方法在合金成分设计及工艺路线上，均存在一定的技术缺陷，难以实现其高温抗蠕变性能提高和低成本化生产。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种高抗蠕变Cu-Cr-Nb-Zr系合金及其低成本制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种Cu-Cr-Nb-Zr系合金，其特征在于，所述合金的成分以重量百分比计包括：Cr1.0～2.0％、Nb 0.85～1.7％、Zr 0.05～0.2％；其余为Cu以及不可避免的杂质。

进一步地，所述Cu-Cr-Nb-Zr系合金的成分中Cr与Nb的质量百分比满足：1.15＜Cr/Nb＜1.5。

本发明提供的一种Cu-Cr-Nb-Zr系合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按各元素的重量百分比进行备料，在真空感应炉中通入氩气进行熔炼，其中，首先将合金加热至1150℃～1200℃，保温15-30min；再升温至1350℃至1500℃，保温20-30min，然后浇注至水冷铜模具中快速冷却得到Cu-Cr-Nb-Zr合金锭；