梯度结构合金板材及增强、制备方法与流程

本发明属于合金材料领域，涉及一种梯度结构合金板材及增强、制备方法。

背景技术：

1、作为常见的合金材料，镍铜合金通常具有高强度、高韧性和优异的耐腐蚀性能。其中，蒙乃尔合金(ni70cu30)是其中应用最广的一种镍基耐蚀合金。该合金在耐盐、耐酸碱，尤其是面对氢氟酸和氟化物时具有优异的耐蚀性，因此在船舶制造、炼油、化学化工和冶金等领域具有不可替代的作用，通常被用来制造泵轴、阀门和管道类产品。

2、随着工业技术的发展，由于传统的镍铜合金的强度和耐磨性较低，无法在许多同时要求高强度、高耐磨的使用场景下使用。由于传统蒙乃尔合金综合力学性能不足，很多研究人员尝试通过在镍铜合金基体中引入其他合金元素，希望通过固溶强化、时效强化等强化方式提升强度和耐磨性，但是使用这样的方法，通常会在提高材料强度和耐磨性的同时降低塑韧性，导致材料的加工性能和服役安全性能变差，在使用安全性上存在隐患。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种梯度结构合金板材及增强、制备方法，通过增强金属的外部渗入、热扩散及时效析出的方法，在提高板材的抗拉强度的同时保持塑性基本不变。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种梯度结构合金板材，沿板材厚度方向呈由内向外粒径逐渐变细的梯度结构；该梯度结构的产生原因是增强金属的外部渗入、热扩散及时效析出。

4、可选的，板材呈层状结构，其芯部组织为无时效析出相的粗晶层，边部组织为带有时效析出相的细晶层，从芯部至边部，微观组织呈梯度变化。

5、可选的，所述梯度结构包括成分的梯度分布、时效析出相的梯度分布及微观组织的梯度分布。

6、可选的，采用al作为增强金属。

7、可选的，板材为镍铜合金，时效析出的第二相增强体为含铝、钛、钪元素中的任意两种或三种元素形成的析出相。

8、可选的，析出相的尺寸为10-1500nm。

9、一种合金板材的增强方法，包括以下步骤：

10、渗铝：采用铝粉及渗铝剂对板材进行包埋渗铝；

11、热扩散：对“渗铝”后的板材进行热扩散处理；

12、冷轧：对“热扩散”后的板材进行冷轧。

13、可选的，对“冷轧”后的板材进行时效处理。

14、可选的，时效处理的温度为450-650℃，时效时间5-24小时。

15、可选的，“渗铝”过程中，铝粉占比5％～65％。

16、可选的，“热扩散”的温度为200℃-450℃，保温5-72h。

17、可选的，“热扩散”的扩散温度与扩散时间的乘积在12000～16500之间，扩散温度的单位为摄氏度，扩散时间的单位为小时。

18、可选的，“冷轧”的下压道次为5-20次，下压道次与表层含铝量呈正相关。

19、一种梯度结构合金板材的制备方法，包括以下步骤：

20、微合金化：熔炼，并在熔炼过程中加入微合金元素；

21、热轧；对“微合金化”后的材料进行热轧；

22、渗铝：采用铝粉及渗铝剂对板材进行包埋渗铝；

23、热扩散：对“渗铝”后的板材进行热扩散处理；

24、冷轧：对“热扩散”后的板材进行冷轧；

25、时效处理：对“冷轧”后的板材进行时效处理。

26、可选的，“微合金化”过程中，加入ti和/或sc进行微合金化。

27、可选的，“微合金化”过程中，微合金元素的质量占比为0.01-5％wt。

28、可选的，“微合金化”过程中，进行至少一次重熔，使熔体成分均匀。

29、可选的，“热轧”过程中，采用保护气，加热温度1050～1150℃，保温10-60min后热轧，热轧下压量10％～70％。

30、可选的，“热轧”后，对板材进行表面处理。

31、本发明的有益效果在于：

32、本发明的一些实施例中，基于非沉淀强化nicu合金，在基体中引入沉淀合金元素，通过热轧及表面处理，增加后续al元素的扩散能力，然后使用粉末包埋的方法，在板材表面约50-100μm范围内渗入高浓度的al元素，然后进行低温扩散热处理，使得高浓度的al元素从表面往心部扩散，最大扩散深度可达到500-5000微米，随后通过冷轧变形，在板材内部引入大量的位错，提升随后时效处理的强化效果，最终获得表面富铝层、中部贫铝沉淀硬化层和心部原始层，化学成分、组织特征、晶粒度、沉淀相数量在厚度方向呈现梯度变化，能够在抗拉强度显著提高的同时保持几乎不变的塑性，大大拓宽了镍铜合金的使用范围。

33、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种梯度结构合金板材，其特征在于：沿板材厚度方向呈由内向外粒径逐渐变细的梯度结构；该梯度结构的产生原因是增强金属的外部渗入、热扩散及时效析出。

2.根据权利要求1所述的梯度结构合金板材，其特征在于：板材呈层状结构，其芯部组织为无时效析出相的粗晶层，边部组织为带有时效析出相的细晶层，从芯部至边部，微观组织呈梯度变化。

3.根据权利要求1所述的梯度结构合金板材，其特征在于：所述梯度结构包括成分的梯度分布、时效析出相的梯度分布及微观组织的梯度分布。

4.根据权利要求1所述的梯度结构合金板材，其特征在于：采用al作为增强金属。

5.根据权利要求1所述的梯度结构合金板材，其特征在于：板材为镍铜合金，时效析出的第二相增强体为含铝、钛、钪元素中的任意两种或三种元素形成的析出相。

6.根据权利要求5所述的梯度结构合金板材，其特征在于：析出相的尺寸为10-1500nm。

7.一种合金板材的增强方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的合金板材的增强方法，其特征在于，对“冷轧”后的板材进行时效处理。

9.根据权利要求8所述的合金板材的增强方法，其特征在于，时效处理的温度为450-650℃，时效时间5-24小时。

10.根据权利要求7所述的合金板材的增强方法，其特征在于，“渗铝”过程中，铝粉占比5％～65％。

11.根据权利要求7所述的合金板材的增强方法，其特征在于，“热扩散”的温度为200℃-450℃，保温5-72h。

12.根据权利要求7所述的合金板材的增强方法，其特征在于，“热扩散”的扩散温度与扩散时间的乘积在12000～16500之间，扩散温度的单位为摄氏度，扩散时间的单位为小时。

13.根据权利要求7所述的合金板材的增强方法，其特征在于，“冷轧”的下压道次为5-20次，下压道次与表层含铝量呈正相关。

14.一种梯度结构合金板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

15.根据权利要求14所述的梯度结构合金板材的制备方法，其特征在于，“微合金化”过程中，加入ti和/或sc进行微合金化。

16.根据权利要求14所述的梯度结构合金板材的制备方法，其特征在于，“微合金化”过程中，微合金元素的质量占比为0.01-5％wt。

17.根据权利要求14所述的梯度结构合金板材的制备方法，其特征在于，“微合金化”过程中，进行至少一次重熔，使熔体成分均匀。

18.根据权利要求14所述的梯度结构合金板材的制备方法，其特征在于，“热轧”过程中，采用保护气，加热温度1050～1150℃，保温10-60min后热轧，热轧下压量10％～70％。

19.根据权利要求14所述的梯度结构合金板材的制备方法，其特征在于，“热轧”后，对板材进行表面处理。

技术总结
本发明涉及一种梯度结构合金板材及增强、制备方法，属于合金材料领域。本发明公开了通过成分合金化、包埋渗铝、低温热扩散及时效局部析出方法，以增强板材强度的工艺，并公开了在该工艺下制成的带有梯度结构的板材以及完整的带有梯度结构的板材的加工工艺。本发明中公开的方案可以在提高镍铜合金板材的抗拉强度、耐磨性能的同时保持塑性基本不变。本发明中公开的板材带有表面富铝层、中部贫铝沉淀硬化层和心部原始层，化学成分、组织特征、晶粒度、沉淀相数量在厚度方向呈现梯度变化，能够在抗拉强度显著提高的同时保持几乎不变的塑性，大大拓宽了镍铜合金的使用范围。

技术研发人员：张芝民,冯科,朱科,徐诗鑫,关小石,万祥睿,于智成,刘志威,邓敖
受保护的技术使用者：中冶赛迪技术研究中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15