具有立方形态析出组织的耐高温铜基超合金设计
批准号:
52071052
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
李晓娜
依托单位:
学科分类:
金属结构材料与力学行为
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李晓娜
中文摘要
在高温、重载等严苛环境下,高强导电铜合金必须抗高温软化,而析出强化铜合金的软化温度不超过650°C,不能满足高温内衬及特殊电接触材料等的特殊需求。借鉴镍基超合金用“立方形态γ'-Ni3Al相在面心立方γ相上共格析出”的特殊组织,能实现近0.9熔点的承温能力,本项目采用团簇式成分设计方法,发展具有类似组织特征的新型Cu-Ni-Al基超合金。前期研究已经获得软化温度高于1000℃的耐热铜合金,但是导电性能没有兼顾。拟在此基础上基于团簇式[(Al,Ni)–(Cu,Ni)12](Al,Cu)3成分框架,通过多组元化提升γ'相的稳定性,并保证铜基体的固溶元素尽量析出以获得高导电性,协调元素间相互作用、调整点阵匹配以获得立方形态析出组织提升合金强度和耐温性。最后从近程序出发梳理元素间相互作用机理,建立团簇式成分、组织与合金性能变化的定量关系,为发展耐高温导电铜合金提供一个新的解决方案。
英文摘要
High temperature softening resistance is an important property for high strength and conductivity copper alloys in service under high temperature, high voltage, high current and heavy load, etc. However, the softening temperature of ordinary copper alloys can only achieve about 650 °C, which cannot satisfy the increasing demands of high temperature lining and special electric contact materials. In view of the fact that common nickel-based superalloys can achieve a temperature bearing capacity of nearly nine-tenths of the melting point of nickel by the special structure of "cuboidal γ'-Ni3Al phase coherent precipitation on the face-centered cubic γ phase solid solution". In this project, the cluster composition design method will be introduced to develop a new Cu-Ni-Al-based superalloy with similar structure characteristics. The preliminary results also showed that heat-resistant copper alloys with a softening temperature above 1000 °C can be obtained but the conductivity is undesirable. Based on the previous research and the composition framework of cluster formula [(Al,Ni)–(Cu,Ni)12](Al,Cu)3, the stability of the γ' phase will be improved through multi-component, and meanwhile the high conductivity will be obtained by ensuring that the solutes in the copper matrix are precipitated as far as possible. Moreover, the strength and temperature resistance of alloys will be improved by the cuboidal precipitation structure, which achieves by coordinating interactions between elements and adjusting lattice matching. Finally, the interaction mechanism of elements will be analyzed based on the short-range order, and the quantitative relationship between composition, structure and properties will be established, which provide for developing high temperature resistant conductive copper alloys.
本项目针对目前商用Cu合金的软化温度不足,无法满足日益苛刻的高温使役环境的现状。在前期研究中,以“立方棋盘状的γ'相在γ相基体上共格析出”为组织特点设计并制备宽Cu含量区间(50at.%~93.75at.%)的三元Cu-Ni-Al合金,已验证立方共格析出强化提升Cu合金抗高温软化性能的可行性。本项目采用团簇式成分设计方法,发展具有类似组织特征的新型Cu-Ni-Al基超合金。首先,在三元Cu-Ni-Al合金体系中,通过研究立方γ'相的粗化行为评估合金的组织稳定性,同时评估Cu-Ni-Al合金的抗高温氧化性能及耐高温摩擦磨损性能,结果表明Cu-Ni-Al 合金在高温环境下的抗软化、抗氧化、耐磨等性能方面均具有明显的优势,使其在耐热铜合金领域中具有发展潜力。其次,针对三元Cu-Ni-Al合金所展现的γ'相高温稳定性下降、晶界易产生不连续析出以及低塑性等问题,开展合金化研究。在考虑合金化元素之间的焓交互作用,选择不同的元素M(Si、Ti、V、Fe、Co、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Sn、Hf、Ta 和 W)作为第四组元进行研究,大量的实验结果表明Si、Ti、Nb、V、Pd、Zr、Mo、W、Ta 和 Co 均可作为添加的候选元素。以Si、 Ti、Nb 和 V 为代表,改变M/Ni比,有效控制合金元素的固溶与析出,在提升γ′相稳定性的同时减少基体中溶质固溶,最终获得合金化元素在Cu-Ni-Al合金中的存在方式及其最佳添加量。随后,在四元Cu-Ni-Al-M合金的研究基础上,已筛选出合适的合金化元素及其添加量,并结合团簇模型的理论指导,设计系列多组元合金: Cu-Ni-Al-Cr-Zr-Zn-Ti、Cu-Ni-Co-Al-Cr-Ti、Cu-Ni-Co-Al-Ti-Nb-V-Si-B和Cu-Ni-Co-Al-Ti-Fe-B等体系,室温硬度可达200-420HV, 室温强度可达600-1200MPa, 600℃强度可达310-367MPa,远高于现有的耐热铜合金。最后,基于立方共格析出强化Cu-Ni-Al 三元合金的耐高温特性以及铜合金的高温氧化特点,采用射频磁控溅射沉积技术,在镍基高温合金表面制备耐高温铜合金薄膜,为开发应用铜基高温自润滑薄膜和解决材料同质对磨问题提供新的可能。
电增强碳纳米纤维吸附饮用水中磺胺类抗生素的影响机制研究
-
批准号:21407019
-
项目类别:青年科学基金项目
-
资助金额:25.0万元
-
批准年份:2014
-
负责人:李晓娜
-
依托单位:
团簇固溶的高化学稳定性导电Cu合金薄膜
-
批准号:51271045
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:80.0万元
-
批准年份:2012
-
负责人:李晓娜
-
依托单位:
国内基金
海外基金