專(zhuān)利名稱(chēng)：一種制備高拉伸塑性Ni(Bi)合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鎳基合金領(lǐng)域，涉及制備高拉伸塑性Ni (Bi)合金的方法，特別是Bi含量為ppm量級(jí)的Ni (Bi)合金的熔煉、加工、測(cè)試及熱處理過(guò)程。
背景技術(shù)：
Ni (Bi)合金具有優(yōu)異的導(dǎo)電和磁性性能，目前應(yīng)用于航空航天、石油化工、交通運(yùn)輸、電子信息等電氣元件和磁性轉(zhuǎn)化器件中。但是，對(duì)金屬材料來(lái)說(shuō)，即使含有極少量的有害雜質(zhì)元素(如十幾或幾十ppm左右的P、S、As、Sb、Bi),也會(huì)對(duì)金屬材料的沖擊性能、拉伸性能、蠕變性能等力學(xué)性能有很大影響?？梢?jiàn)，雖然Ni (Bi)合金具有優(yōu)良的物理性能，但由 于Bi元素對(duì)Ni在力學(xué)性能上產(chǎn)生不利影響，會(huì)限制其在更廣闊范圍內(nèi)的應(yīng)用。2011 年，文獻(xiàn)(Scripta Mater. , 2011; 65 [5] : 428 ；Mater. Des. , 2012; 34 [I] : 155)報(bào)道，Ni (Bi)合金在400°C 825°C范圍內(nèi)的不同溫度下保溫45分鐘，然后在相應(yīng)溫度進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸塑性(以斷后伸長(zhǎng)率表示)隨溫度升高首先降低，在高于750°C后快速上升。因此，Ni (Bi)合金塑性極小值處于700°C 750°C附近(平均值分別為25. 42%和25. 78%，如圖I所示)。可見(jiàn)，當(dāng)Ni (Bi)合金在此溫度范圍乃至650°C左右使用時(shí)，其拉伸塑性顯著降低，影響合金的使用性能。文獻(xiàn)(Scripta Mater. , 2011;65[5] :428 ；Mater.Des.，2012;34[1] : 155)對(duì)其塑性降低機(jī)理進(jìn)行了理論分析，但未提出改善合金拉伸塑性的方法。根據(jù)以上研究情況可知目前關(guān)于Ni (Bi)合金的拉伸塑性，僅實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中溫區(qū)(6500C ^7500C )的拉伸塑性顯著降低這一現(xiàn)象，以及理論分析了拉伸塑性的產(chǎn)生機(jī)理，但尚未開(kāi)展以提高Ni (Bi)合金中溫區(qū)拉伸塑性為目的的研究，更沒(méi)有提出一種行之有效的方法來(lái)提高中溫區(qū)拉伸塑性。申請(qǐng)人:通過(guò)研究驚奇發(fā)現(xiàn)含有微量Bi元素的Ni (Bi)合金在中溫區(qū)范圍內(nèi)一定溫度下的恒溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，若熱處理時(shí)間足夠長(zhǎng)，則熱處理后的室溫拉伸塑性(以斷后伸長(zhǎng)率表示)會(huì)首先降低，在某一時(shí)刻達(dá)到塑性極小值，然后塑性會(huì)慢慢恢復(fù)。由此提出在Ni (Bi)合金使用之前，可先將其在相應(yīng)使用溫度熱處理一定時(shí)間，使其塑性恢復(fù)，然后再進(jìn)行使用，即可確保Ni (Bi)合金的使用壽命和在使用過(guò)程中的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是制備高拉伸塑性的Ni (Bi)合金，解決現(xiàn)有Ni (Bi)合金拉伸塑性偏低的缺陷。采用高純Ni和高純Bi為原料，通過(guò)真空冶煉工藝制備N(xiāo)i (Bi)合金，并將Ni (Bi)合金進(jìn)行645°C 655°C下的等溫?zé)崽幚恚罱K得到高拉伸塑性、高服役可靠性的Ni (Bi)合金。本方法制得的Ni (Bi)合金平均拉伸塑性達(dá)到56. 11%，最高可達(dá)65. 92% (如圖2所示)，顯著高于圖I中的拉伸塑性，因而具有良好的應(yīng)用前景。本發(fā)明制備高拉伸塑性Ni (Bi)合金的方法包括以下步驟(I)采用高純電解Ni板做原料。
(2)將高純電解Ni板用機(jī)械剪切割成顆粒，并將顆粒置于鹽酸溶液中超聲波清洗5分鐘，然后再置于蒸餾水中超聲波清洗5分鐘。(3)清洗干凈后的顆粒在恒溫干燥箱中烘干，溫度100 150°C，時(shí)間5 15小時(shí)。(4)將質(zhì)量百分比為99. 999%的高純Ni顆粒和質(zhì)量百分比為99. 999%的高純Bi按Ni:Bi=99. 9:0. I的摩爾比配料，放入真空感應(yīng)熔煉爐中。(5)將真空感應(yīng)熔煉爐的高真空度抽至I X 10_2 I X 10_3Pa。(6)將熔煉溫度升溫至1500°C 1530°C，Ni (Bi)合金熔化后保溫3 lOmin。
(7)熔煉完畢后迅速切斷電源，使熔融Ni (Bi)合金快速凝固，得到Ni (Bi)母合金。(8)按Ni (Bi)合金中Bi元素含量最終處于10 IOOwt ppm進(jìn)行高純Ni和Ni (Bi)母合金配料，并經(jīng)與步驟(2)-步驟(7)相同的鹽酸清洗、蒸餾水清洗、烘干、熔煉爐抽真空、熔煉、凝固等工藝過(guò)程，獲得含Bi量為10 IOOwt ppm的Ni (Bi)合金。(9)將步驟(8)所得Ni (Bi)合金在室溫下進(jìn)行擠壓，得到工業(yè)實(shí)際需求尺寸的棒料。(10)將步驟(9)擠壓所得的棒料分低溫、中溫、高溫進(jìn)行三步熱處理，低溫?zé)崽幚砉に嚍?30°C 470°C下45 90min后空冷，中溫?zé)崽幚砉に嚍?80°C 620°C下50 70min后空冷，高溫?zé)崽幚砉に嚍?90°C 1010°C下25 35min后水淬。(11)將高溫?zé)崽幚砗笏氵^(guò)的棒料在真空度1X10—2 I X KT3Pa和645 °C 655°C條件下進(jìn)行恒溫?zé)崽幚?50 200h，制得高拉伸塑性的Ni (Bi)合金。本發(fā)明和現(xiàn)有結(jié)果相比所具有的有益效果在于所述步驟(I)中采用高純Ni可以獲得高純度的Ni (Bi)合金，從而顯著提高合金的拉伸塑性。所述步驟(2)中采用鹽酸清洗、蒸餾水清洗，去除在Ni板切割成顆粒過(guò)程中表面附帶的雜質(zhì)元素(如Fe、C)和附著物(如空氣中的粉塵)，可獲得高純度Ni (Bi)合金。所述步驟(3)采用長(zhǎng)時(shí)間、高溫度烘干，去除清洗過(guò)程中附著在顆粒上的蒸餾水，可防止蒸餾水在后續(xù)熔煉過(guò)程中破壞熔煉爐真空度，同時(shí)顯著降低Ni(Bi)合金中的氧含量以及熔融合金中的微氣泡，獲得較高純凈度和無(wú)氣孔缺陷的Ni(Bi)合金。所述步驟(4)中采用高純Bi，可獲得高純凈度的Ni (Bi)合金。由于Ni (Bi)合金中的Bi元素處于ppm量級(jí),Bi元素的添加量很少,不易準(zhǔn)確控制合金中Bi的含量，因此首先冶煉較高Bi含量的Ni (Bi)母合金，然后再進(jìn)行Ni (Bi)合金熔煉，可獲得準(zhǔn)確Bi含量的Ni (Bi)合金。所述步驟(5)中采用較高真空度，以防止?fàn)t腔中的氧殘留在Ni (Bi)合金中，提高合金純凈度。所述步驟(6)中確定熔煉溫度為1500°C 1530°C，原因有三方面。一是由于Ni的熔點(diǎn)為1453°C，熔融溫度需高于此溫度；二是Bi元素的沸點(diǎn)為1560°C，若要保證Ni (Bi)合金中的Bi元素不明顯揮發(fā)，從而準(zhǔn)確控制Bi含量，則熔融溫度需低于此溫度；三是在上述兩個(gè)溫度范圍內(nèi)，熔融溫度越高，合金凝固后形成的縮孔越小，合金的利用率越高，可降低成本。綜合考慮，選擇熔融溫度為1500°C 1530°C。此外，為了進(jìn)一步降低Bi元素?fù)]發(fā)量和準(zhǔn)確控制Bi含量，在熔融溫度下保溫時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，因此選擇3 IOmin分鐘。
所述步驟(7)中采用快速凝固方法，可使得形成的縮孔較小，提高合金利用率。所述步驟(8)中采用與前述相同的工藝過(guò)程，以保證Ni (Bi)合金中Bi元素含量的準(zhǔn)確性和合金的純凈度。所述步驟(9)中每道次擠壓后都將合金退火，退火后將表面的氧化皮徹底去除，以防止每道次變形量過(guò)大導(dǎo)致內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生，同時(shí)防止氧化皮在擠壓過(guò)程中進(jìn)入合金內(nèi)部而降低拉伸塑性。所述步驟(10)中的三步熱處理可使合金的晶粒尺寸較為均勻。所述步驟(11)中采用真空條件下的恒溫?zé)崽幚砉に?，可顯著降低熱處理過(guò)程中Ni (Bi)合金的氧化程度，防止氧化降低合金的拉伸塑性。


圖 I 是文獻(xiàn)(Scripta Mater.，2011; 65 [5] :428 ；Mater. Des.，2012; 34 [I] : 155)報(bào)道的Bi含量為25ppm的Ni (Bi)合金在不同溫度下的拉伸塑性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2是本發(fā)明制備的高拉伸塑性Ni (Bi)合金在650°C恒溫?zé)崽幚聿煌瑫r(shí)間后的拉伸塑性。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。本發(fā)明制備高拉伸塑性Ni (Bi)合金的方法包括以下步驟(I)采用高純電解Ni板做原料。(2)將高純電解Ni板用機(jī)械剪切割成顆粒，并將顆粒置于鹽酸溶液中超聲波清洗5分鐘，然后再置于蒸餾水中超聲波清洗5分鐘。(3)清洗干凈后的顆粒在恒溫干燥箱中烘干，溫度100 150°C，時(shí)間5 15小時(shí)。(4)將高純Ni顆粒和高純Bi (99. 999%)按Ni :Bi=99. 9:0. I的摩爾比配料，放入真
空感應(yīng)熔煉爐中。(5)將真空感應(yīng)熔煉爐的高真空度抽至I X 10_2 I X 10_3Pa。(6)將熔煉溫度升溫至1500°C 1530°C，Ni (Bi)合金熔化后保溫3 lOmin，其中，熔煉溫度優(yōu)選1520°C 1530°C，保溫時(shí)間優(yōu)選4 7min。(7)熔煉完畢后迅速切斷電源，使熔融Ni (Bi)合金快速凝固，得到Ni (Bi)母合金。(8)按Ni (Bi)合金中Bi元素含量最終處于10 IOOwt ppm (優(yōu)選15 45wtppm)進(jìn)行高純Ni和Ni (Bi)母合金配料，并經(jīng)與前述相同的鹽酸清洗、蒸餾水清洗、烘干、熔煉爐抽真空、熔煉、凝固等工藝過(guò)程，獲得含Bi量為10 IOOwt ppm(優(yōu)選15 45wtppm)的Ni (Bi)
么么
I=I -Wl O(9)將合金在室溫下進(jìn)行擠壓，得到工業(yè)實(shí)際需求尺寸的棒料。(10)將擠壓所得的棒料分低溫、中溫、高溫進(jìn)行三步熱處理。低溫?zé)崽幚砉に嚍?30°C 470°C下45 90min后空冷，中溫?zé)崽幚砉に嚍?80°C 620°C下50 70min后空冷，高溫?zé)崽幚砉に嚍?90°C 1010°C下25 35min后水淬。(11)將棒料在真空度I X 10_2 I X KT3Pa和645°C 655°C條件下進(jìn)行恒溫?zé)崽幚?50 200h，制得高拉伸塑性的Ni (Bi)合金。
實(shí)施例I(I)采用高純電解Ni板做原料，Ni板厚度在2至3mm之間，成分如表I所示。表I高純Ni的化學(xué)成分(wt ppm) [
(2)將高純電解Ni板用機(jī)械剪切割成顆粒，然后將顆粒置于4摩爾/升的鹽酸溶液中超聲波清洗5分鐘，然后再置于蒸餾水中超聲波清洗5分鐘。(3)清洗干凈后的顆粒在恒溫干燥箱中烘干，溫度120°C，時(shí)間10小時(shí)。(4)將高純Ni顆粒和高純Bi按Ni:Bi=99. 9:0. I的摩爾比配料，放入真空感應(yīng)熔煉爐中。(5)將真空感應(yīng)熔煉率的真空度抽至5X 10_3Pa。(6)將熔煉溫度緩慢升溫至1530°C，并在1530°C下保持5分鐘。(7)熔煉完畢后迅速切斷電源，使熔融Ni (Bi)合金快速凝固，得到Ni (Bi)母合金。(8)按Ni (Bi)合金中Bi元素含量最終處于25wt ppm進(jìn)行高純Ni和Ni (Bi)母合金配料，并經(jīng)與前述相同的鹽酸清洗、蒸餾水清洗、烘干、坩堝清洗、坩堝烘干、抽真空、熔煉、凝固等工藝過(guò)程，獲得含Bi量為25ppm的Ni (Bi)合金。(9)將合金在室溫下進(jìn)行擠壓，每道次擠壓后都將合金在950°C下退火O. 5小時(shí)，退火后將表面的氧化皮徹底去除。(10)將擠壓所得的棒料分三步進(jìn)行熱處理455°C熱處理I小時(shí)空冷，600°C熱處理I小時(shí)后空冷，1000°c熱處理O. 5小時(shí)后水淬。(11)將熱處理后的Ni (Bi)合金棒料采用車(chē)床加工成拉伸試樣。(12)將所得的Ni (Bi)合金非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行石英管真空封裝，每3根拉伸試樣一組，真空度為6X10_3Pa。(13)將石英管封裝后的試樣在650°C下進(jìn)行恒溫?zé)崽幚?，在不同時(shí)刻取出一組石英管，快速打碎石英管后將拉伸試樣水冷。(14)將恒溫?zé)崽幚聿煌瑫r(shí)間的試樣分別在拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，應(yīng)變速率為ΙΟ 所得結(jié)果如圖2所示?？梢?jiàn)在650°C下經(jīng)過(guò)150h熱處理后，Ni (Bi)合金平均拉伸塑性為56. 11%。
權(quán)利要求
1.一種制備高拉伸塑性Ni (Bi)合金的方法，其特征包括以下步驟 (1)采用高純電解Ni板做原料； (2)將高純電解Ni板用機(jī)械剪切割成顆粒，并將顆粒置于鹽酸溶液中超聲波清洗5分鐘，然后再置于蒸餾水中超聲波清洗5分鐘； (3)清洗干凈后的顆粒在恒溫干燥箱中烘干，溫度100 150°C，時(shí)間5 15小時(shí)； (4)將質(zhì)量百分比為99.999%的高純Ni顆粒和質(zhì)量百分比為99. 999%的高純Bi按Ni:Bi=99. 9:0. I的摩爾比配料，放入真空感應(yīng)熔煉爐中； (5)將真空感應(yīng)熔煉爐的高真空度抽至IX 10_2 I X 10_3Pa ； (6)將熔煉溫度升溫至1500°C 1530°C，Ni(Bi)合金熔化后保溫3 IOmin ； (7)熔煉完畢后迅速切斷電源，使熔融Ni(Bi)合金快速凝固，得到Ni (Bi)母合金； (8)按Ni(Bi)合金中Bi元素含量最終處于10 IOOwt ppm進(jìn)行高純Ni和Ni (Bi)母合金配料，并經(jīng)與步驟(2)-步驟(7)相同的鹽酸清洗、蒸餾水清洗、烘干、熔煉爐抽真空、熔煉、凝固過(guò)程，獲得含Bi量為10 IOOwt ppm的Ni (Bi)合金； (9)將步驟(8)所得Ni(Bi)合金在室溫下進(jìn)行擠壓，得到工業(yè)實(shí)際需求尺寸的棒料； (10)將步驟(9)擠壓所得的棒料分低溫、中溫、高溫進(jìn)行三步熱處理，低溫?zé)崽幚砉に嚍?30°C 470°C下45 90min后空冷，中溫?zé)崽幚砉に嚍?80°C 620°C下50 70min后空冷，高溫?zé)崽幚砉に嚍?90°C 1010°C下25 35min后水淬； (11)將高溫?zé)崽幚砗笏氵^(guò)的棒料在真空度IX 10_2 I X 10_3Pa和645°C 655°C條件下進(jìn)行恒溫?zé)崽幚?50 200h，制得高拉伸塑性的Ni (Bi)合金。
2.如權(quán)利要求I所述一種制備高拉伸塑性Ni(Bi)合金的方法，其特征在于步驟(6)的熔煉溫度為1520°C 1530°C，保溫時(shí)間為4 7min。
3.如權(quán)利要求I所述一種制備高拉伸塑性Ni(Bi)合金的方法，其特征在于步驟(8)按Ni (Bi)合金中Bi元素含量最終處于15 45wtppm進(jìn)行高純Ni和Ni (Bi)母合金配料，獲得含Bi量為15 45wtppm的Ni (Bi)合金。
全文摘要
本發(fā)明屬于鎳基合金領(lǐng)域，涉及制備高拉伸塑性Ni(Bi)合金的方法。采用高純Ni和高純Bi為原料，通過(guò)真空冶煉工藝制備N(xiāo)i(Bi)合金，并將Ni(Bi)合金進(jìn)行645℃～655℃下的等溫?zé)崽幚恚罱K得到高拉伸塑性、高服役可靠性的Ni(Bi)合金。本發(fā)明降低了Bi元素?fù)]發(fā)量，準(zhǔn)確控制了Bi含量；提高了合金的利用率，降低了成本。用本方法制得的Ni(Bi)合金平均拉伸塑性達(dá)到56.11%，最高可達(dá)65.92％，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C22C19/03GK102776415SQ20121029597
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者何飛霞, 張彬彬, 楊武強(qiáng), 鄭磊, 齊琳 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)