一种铜铝镍基单晶合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及单晶合金技术领域，尤其涉及一种铜铝镍基单晶合金及其制备方法。
背景技术
一般情况下，金属材料往往要经过固溶和退火等处理制备得到，在经历这些处理之后，合金由于不同取向的晶粒形核和生长，会呈现多晶结构。多晶材料往往由于晶界处聚集高能量，在受力时材料容易沿晶界断裂，呈现出断裂脆性。而单晶合金通常具有比多晶合金更为优异的力学和功能特性，而获取单晶的方法主要包括定向凝固或经过宏观变形后退火或动态再结晶；但是定向凝固需要一套极其复杂的工艺以及设备，这样一来整个获取单晶的过程耗时又耗钱；而经过宏观变形后退火或动态再结晶的方法会使晶粒发生异常长大的现象，这样的方法得到的单晶多是一些线材，无法满足大器件的应用，并且整个制备过程繁琐，成本昂贵，无法批量生产。
针对上述问题，2013年Omori等人发现，组分为铜71.6％，铝17％和锰11.4％的合金，经过900℃单相区均质化处理后，以3.3℃/分钟的冷却速率冷却到500℃保温10分钟，之后再以10℃/分钟的加热速率加热到900℃保温600分钟，循环10次上述热处理后在水中淬火，可以得到超过厘米级的单晶(T.Omori,T.Kusama,S.Kawata,I.Ohnuma,Y.Sutou,Y.Araki,K.Ishida,R.Kinuma,Abnormal grain growth induced by cyclic heattreatment,Science 341(2013)1500–1502)。2016年Omori等人进一步的利用循环热处理的方法在铁锰铝镍四元合金材料中获得单晶(T.Omori,H.Iwaizako,R.Kainuma,Abnormalgrain growth induced by cyclic heat treatment in Fe-Mn-Al-Ni superelasticalloy,Mater.Des.101(2016)263–269)。这样的循环热处理工艺不仅耗时而且工艺极为繁琐，尤其是对升降温速率要求非常严格，不利于实际的生产应用。
由此可以看出，单晶材料不能广泛应用的主要原因是制备成本居高不下，只有一些特殊领域才能够使用上述制备方法制备得到的单晶，限制了单晶的应用。因此，寻找一种简单低成本的单晶合金是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜铝镍基单晶合金及其制备方法，所述铜铝镍基单晶合金通过控制合金的组成，使得所述合金经过简单的退火处理即可制备得到单晶合金，降低成本。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铜铝镍基单晶合金，按质量百分比计，包括以下合金元素：铜69％～81％，铝10％～15％，镍4％～8％和铁5％～8％；
所述铜铝镍基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：
按照上述质量配比，将铜、铝、镍和铁混合后，进行熔炼，得到铸态合金；
将所述铸态合金进行退火处理，得到所述铜铝镍基单晶合金；
所述退火处理的温度为1000～1020℃，所述退火的时间≥24小时。
优选的，包括以下合金元素：铜71.5％～77％，铝12.5％～14.5％，镍4.5％～7.5％和铁5.5％～7.5％。
优选的，包括以下合金元素：铜72％～75％，铝13％～14％，镍5％～7％和铁6％～7％。
本发明还提供了上述技术方案所述的铜铝镍基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：
按照上述质量配比，将铜、铝、镍和铁混合后，进行熔炼，得到铸态合金；
将所述铸态合金进行退火处理，得到所述铜铝镍基单晶合金；
所述退火处理的温度为1000～1020℃，所述退火的时间≥24小时。
本发明提供了一种铜铝镍基单晶合金，按质量百分比计，包括以下合金元素：铜69％～81％，铝10％～15％，镍4％～8％和铁5％～8％，所述铜铝镍基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：按照上述质量配比，将铜、铝、镍和铁混合后，进行熔炼，得到铸态合金；将所述铸态合金进行退火处理，得到所述铜铝镍基单晶合金；所述退火处理的温度为1000～1020℃，所述退火的时间≥24小时。本发明提供的铜铝镍铁单晶合金的中间产物铸态合金含有大量的纳米相，其尺寸在数十纳米到数百纳米之间。当铸态合金直接在高温单一的bcc相区进行热处理时，这些纳米相可固溶回基体bcc相中，促使合金发生晶粒异常长大，从而可直接制备铜铝镍铁单晶。所述铜铝镍基单晶合金的制备方法简单方便，没有繁琐的工艺，节省成本和时间。
附图说明
图1为实施例1制备得到的铸态合金和铜铝镍基单晶合金的微观组织图；
图2为实施例1制备得到的铸态合金和铜铝镍基单晶合金的照片；
图3为实施例2制备得到的铸态合金和铜铝镍基单晶合金的微观组织图；
图4为实施例2制备得到的铸态合金和铜铝镍基单晶合金的照片；
图5为实施例3制备得到的铸态合金和铜铝镍基单晶合金的微观组织图；
图6为实施例3制备得到的铸态合金和铜铝镍基单晶合金的照片；
图7为实施例4制备得到的铸态合金和铜铝镍基单晶合金的微观组织图；
图8为实施例4制备得到的铸态合金和铜铝镍基单晶合金的照片。
具体实施方式
本发明提供了一种铜铝镍基单晶合金，按质量百分比计，包括以下合金元素：铜69％～81％，铝10％～15％，镍4％～8％和铁5％～8％；
所述铜铝镍基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：
按照上述质量配比，将铜、铝、镍和铁混合后，进行熔炼，得到铸态合金；
将所述铸态合金进行退火处理，得到所述铜铝镍基单晶合金；
所述退火处理的温度为1000～1020℃，所述退火的时间≥24小时。
在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
按质量百分比计，所述铜铝镍基单晶合金包括69％～81％的铜，优选为71.5％～77％，更优选为72％～75％。在本发明中，所述铜的作用为与铝、镍形成体心立方bcc基体相，并且该成分合金在1000～1020℃的热处理温度区间为单一bcc基体相。
按质量百分比计，所述铜铝镍基单晶合金包括10％～15％的铝，优选为12.5％～14.5％，更优选为13％～14％。在本发明中，所述铝的作用是与铜镍形成体心立方bcc基体相，并且该成分合金在1000～1020℃的热处理温度区间为单一bcc基体相。
按质量百分比计，所述铜铝镍基单晶合金包括4％～8％的镍，优选为4.5％～7.5％，更优选为5％～7％。在本发明中，所述镍的作用是与铜铝形成体心立方bcc基体相，并且该成分合金在1000～1020℃的热处理温度区间为单一bcc基体相。
按质量百分比计，所述铜铝镍基单晶合金包括5％～8％的铁，优选为5.5％～7.5％，更优选为6％～7％。在本发明中，所述铁的作用是与铝形成β(FeAl)的纳米相，其在1000～1020℃的热处理温度区间热处理时可固溶回基体相中，促使合金发生晶粒异常长大，是制备单晶的关键因素。
在本发明中，所述铜铝镍基单晶合金的制备方法，包括以下步骤：
按照上述质量配比，将铜、铝、镍和铁混合后，进行熔炼，得到铸态合金；
将所述铸态合金进行退火处理，得到所述铜铝镍基单晶合金；
所述退火处理的温度为1000～1020℃，所述退火的时间≥24小时。
本发明按照上述质量配比，将铜、铝、镍和铁混合后，进行熔炼，得到铸态合金。本发明对所述铜、铝、镍和铁的状态和纯度均无任何特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的状态和纯度即可。本发明对所述混合没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述熔炼的温度优选≥1600℃，更优选为1800℃～2000℃；所述熔炼的时间优选≤60min，更优选为20～40min。在本发明中，所述熔炼的次数优选为3～6次，更优选为5次。在本发明中，所述熔炼优选为电弧炉中进行。
所述熔炼完成后，本发明优选还包括冷却，本发明对所述冷却没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行冷却即可。
得到铸态合金后，本发明将所述铸态合金进行退火处理，得到所述铜铝镍基单晶合金。在本发明中，所述退火处理的温度为1000～1020℃，优选为1000～1010℃；所述退火处理的时间≥24小时。
在本发明中，所述退火处理使得铸态合金中纳米相固溶回基体相中，一方面原本这些纳米相在阻止晶粒长大中的钉扎作用被移除，另一方面，该纳米相的固溶过程为某些晶粒的异常长大提供足够大的驱动力，促使合金发生晶粒异常长大，从而形成单晶。
所述退火处理完成后，本发明优选还包括快速冷却，所述快速冷却优选为淬火。
所述淬火完成后，本发明还优选包括采用切割的方法从超大晶粒上切取块材单晶材料的过程。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
注：实施例1～10所述的质量百分比可以理解为不对各原料的质量单位做要求，采用本领域技术人员熟知的质量单位按照所述质量百分比进行混合即可。
实施例1
将76.5％的铜、14％的铝、4％的镍和5.5％的铁混合，在电弧炉中反复熔炼5次，其中熔炼的温度为2000℃，时间为20min，冷却，得到铸态合金，从铸态合金切下厚度为5mm的合金块体；
将所述铸态合金块体在1000℃下进行退火处理24小时，之后进行淬火，得到所述铜铝镍基单晶合金；
其中，图1为铸态合金和铜铝镍基单晶合金的微观组织图(左图为铸态合金，右图为铜铝镍基单晶合金)，图2为铸态合金和铜铝镍基单晶合金的照片(左图为铸态合金，由图为铜铝镍基单晶合金)，由图1可知，合金微观组织在热处理前后有明显变化，铸锭为马氏体多晶组织，热处理后为母相+马氏体单晶组织；由图2可知，通过直接退火工艺可以制备约20mm的Cu-Al-Ni-Fe单晶。
实施例2
将74％的铜、13％的铝、7％的镍和6％的铁混合，在电弧炉中反复熔炼5次，其中熔炼的温度为2000℃，时间为20min，冷却，得到铸态合金，从铸态合金切下厚度为5mm的合金块体；
将所述铸态合金块体在1000℃下进行退火处理48小时，之后进行淬火，得到所述铜铝镍基单晶合金；
其中，图3为铸态合金和铜铝镍基单晶合金的微观组织图(左图为铸态合金，右图为铜铝镍基单晶合金)，图4为实铸态合金和铜铝镍基单晶合金的照片(左图为铸态合金，右图为铜铝镍基单晶合金)，由图3可知，合金微观组织在热处理前后有明显变化，铸锭为母相多晶组织，热处理后为母相单晶组织；合金微观组织在热处理前后有明显变化，由多晶长成单晶；由图4可知，通过直接退火工艺可以制备约20mm的Cu-Al-Ni-Fe单晶。
实施例3
将77％的铜、13％的铝、4.5％的镍和5.5％的铁混合，在电弧炉中反复熔炼5次，其中熔炼的温度为2000℃，时间为20min，冷却，得到铸态合金，从铸态合金切下厚度为5mm的合金块体；
将所述铸态合金块体在1020℃下进行退火处理24小时，之后进行淬火，得到所述铜铝镍基单晶合金；
其中，图5为铸态合金和铜铝镍基单晶合金的微观组织图(左图为铸态合金，右图为铜铝镍基单晶合金)，图6为实铸态合金和铜铝镍基单晶合金的照片(左图为铸态合金，右图为铜铝镍基单晶合金)，由图5可知，合金微观组织在热处理前后有明显变化，铸锭为母相多晶组织，热处理后为马氏体单晶组织；由图6可知，通过直接退火工艺可以制备约25mm的Cu-Al-Ni-Fe单晶。
实施例4
将73％的铜、14％的铝、8％的镍和5％的铁混合，在电弧炉中反复熔炼5次，其中熔炼的温度为2000℃，时间为20min，冷却，得到铸态合金，从铸态合金切下厚度为5mm的合金块体；
将所述铸态合金块体在1000℃下进行退火处理48小时，之后进行淬火，得到所述铜铝镍基单晶合金；
其中，图7为铸态合金和铜铝镍基单晶合金的微观组织图(左图为铸态合金，右图为铜铝镍基单晶合金)，图8为实铸态合金和铜铝镍基单晶合金的照片(左图为铸态合金，右图为铜铝镍基单晶合金)，由图7可知，合金微观组织在热处理前后有明显变化，铸锭为母相多晶组织，热处理后为马氏体单晶组织；由图8可知，通过直接退火工艺可以制备约10mm的Cu-Al-Ni-Fe单晶。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
