一种合金的制备方法及合金

1.本发明涉及金属加工与热处理技术领域，具体涉及一种合金的制备方法及合金。


背景技术：

2.合金材料通常都具有优良的性能，如钛合金具有比强度高、耐高温、耐低温、无磁、可焊、生物相容性好等优异的综合性能，因此钛合金材料在化工、航空、航天、核工业、兵器、海洋、石油、医疗、日常生活等众多领域获得了越来越多的应用。
3.目前在钛合金的制备工艺中，通常使用的是高温熔炼法，包括熔炼、铸造、热处理过程中，然而该制备工艺极易造成合金中元素的偏析，导致合金的组织不均匀，影响合金的服役性能。


技术实现要素：

4.鉴于背景技术中存在的技术问题，本技术提供一种合金的制备方法，采用本发明提供的方法能够减弱合金中元素的偏析，进而改善合金中组织不均匀的现象，提升合金的服役性能。
5.为了实现上述目的，根据本发明的实施例，所述的合金制备方法包括：将合金进行热处理，并在热处理的冷却步骤中施加脉冲磁场，得到合金。
6.根据本发明上述实施例的合金制备方法，通过在合金热处理的冷却步骤中施加脉冲磁场，能够改变合金内部原子的自旋组态，降低溶质原子与位错之间的钉扎作用，从而降低使合金内部的缺陷，促进合金内部原子的扩散作用，改善合金中组织分布不均匀的现象，提升合金的服役性能。
7.另外，根据本发明上述实施例的合金制备方法还可以具有如下附加技术特征：
8.本发明的一些实施例中，冷却开始t分钟后，施加所述脉冲磁场，t≤5。由此，可以改善合金中组织不均匀的现象，提升合金的服役性能。
9.本发明的一些实施例中，所述脉冲磁场的强度为0.6t-3t，可选为1t-2t。由此，可以改善合金中组织不均匀的现象，提升合金的服役性能。
10.本发明的一些实施例中，所述脉冲磁场的施加时间为2min-5min，可选为3min-4min。由此，可以改善合金中组织不均匀的现象，提升合金的服役性能。
11.本发明的一些实施例中，所述脉冲磁场的脉宽为0.5s-10s。由此，可以改善合金中组织不均匀的现象，提升合金的服役性能。
12.本发明的一些实施例中，所述脉冲磁场的脉冲周期为2s-11s。由此，可以改善合金中组织不均匀的现象，提升合金的服役性能。
13.本发明的一些实施例中，所述冷却包括空冷。由此，可以改善合金中组织不均匀的现象，提升合金的服役性能。
14.本发明的一些实施例中，所述空冷的冷却速度0.1℃/s-2℃/s。由此，可以改善合金中组织不均匀的现象，提升合金的服役性能。
1023在室温下保持稳定，ti-1023合金内添加约2％的铁元素。由于合金制备过程中热处理工艺的水平限制，铁原子团簇容易发生偏析，尤其是在高能态缺陷处，如晶界、相界、位错处聚集，使得合金的组织不均匀性较高，裂纹扩展速率较高。
36.目前，改善合金内部组织均匀性的方法主要有三类：(1)改进熔炼工艺，如改进熔炼炉、调控熔炼速度和调整电极位置等；(2)改进热处理工艺，如改进固溶、时效时间和冷却方法；(3)在热处理后施加变形，如反复轧制，利用合金的应力诱导相变性质，在受力过程中调整其组织状态。然而，这些技术对铁原子团簇的偏析并没有很好的效果，没有从微观角度做到有针对性的调控。
37.鉴于此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种合金的制备方法，根据本发明的实施例，该方法包括将合金进行热处理，并在热处理的冷却步骤中施加脉冲磁场，得到合金。
38.根据本发明上述实施例的合金制备方法，通过在合金热处理的冷却步骤中施加脉冲磁场，能够改变合金内部原子的自旋组态，降低溶质原子与位错之间的钉扎作用，从而降低使合金内部的缺陷，促进合金内部原子的扩散作用，改善合金中组织分布不均匀的现象，提升合金的服役性能。
39.需要说明的是，合金的制备工艺通常包括熔炼、铸造、锻造和热处理。其中，熔炼是用加热炉将合金中组成元素熔化成液体金属并进行调质的方法；铸造指的是将熔炼后的液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，以获得合金坯料的方法；锻造是利用锻压机械对铸造成型的合金坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法；热处理是通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。对于上述所述的熔炼、铸造、锻造和热处理等的具体工艺不受特别限制，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。
40.在本发明的一些实施例中，热处理包括固溶、水淬、时效和冷却。固溶指的是将合金加热至高温单相区恒温保持，使合金中的溶质原子能最大限度地固溶到固溶体中，同时又不致使合金发生熔化，可以提高合金的韧性及抗蚀性能；水淬是以水作为淬火剂进行的淬火，把固溶处理后的合金放入水中，然后取出再烧红热，再放入水中，如此反复，可提高合金的刚性；时效指的是合金工件经固溶处理和水淬之后，在较高的温度或室温下放置一定时间，其性能、形状、尺寸随时间而变化的热处理工艺，时效处理能够消除合金工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善合金的机械性能等；冷却指的是经过时效处理之后将合金冷却到室温，便于合金的收集。
41.需要说明的是，对于冷却的方式不特殊限定，本领域的技术人员可以根据需要进行选择，在本技术的一个具体的实施例中，冷却的方式选用空冷，空冷即风冷，是冷却方式的一种，即用空气作为媒介冷却需要冷却的物体。通常是加大需要冷却的物体的表面积，或者是加快单位时间内空气流过物体的速率，抑或是两种方法共用。由此，采用空冷的方式能够使得合金内部的晶粒更加细小，提高合金的韧性和可塑性。
42.在本发明的一些实施例中，所述空冷的冷却速度0.1℃/s-2℃/s。例如，空冷的冷却速度可以为0.3℃/s-1.8℃/s，0.5℃/s-1.5℃/s，0.8℃/s-1.2℃/s等，当空冷的冷却速度过快时，会对合金内部晶粒细化不利，导致结晶发生困难；当空冷的冷却速度过慢时，会导致合金内部的晶体结晶过程减慢，能够减弱原子的扩散能力。由此，将空冷的冷却速度限
定在上述范围内，能够促使合金缓慢降温，使得合金内部的晶粒更加细小，提高合金的韧性和可塑性。
43.在本发明的一些实施例中，所述固溶处理的温度为705℃-775℃，例如，固溶处理的温度可以为710℃-770℃，715℃-765℃，720℃-760℃，725℃-755℃，730℃-750℃，735℃-745℃等。当固溶处理的温度过高时，会产生过烧现象，引起合金在水淬过程中开裂并降低了合金的韧性；当固溶处理的温度过低时，会导致时效后合金的性能达不到要求。由此，将固溶处理的温度限定在上述范围内，可以有效减小金属材料的热膨胀引起的残余应力，使合金具有较好的热处理形态稳定性，提高合金的服役性能。
44.在本发明的一些实施例中，所述固溶时间为60min-120min，例如，固溶时间可以是70min-110min，80min-100min，90min-100min等。由此，将固溶时间限制在上述时间范围内，可以有效减小金属材料的热膨胀引起的残余应力，使合金具有较好的热处理形态稳定性，提高合金的服役性能。
45.在本发明的一些实施例中，所述时效的温度为480℃-620℃，例如，时效的温度可以是490℃-600℃，500℃-580℃，530℃-550℃等。当时效的温度过高，合金中的原子扩散易进行，过饱和固溶体中析出相的临界晶核尺寸大，会导致合金的强度和硬度偏低；当时效的温度过低时，会导致合金中的溶质原子扩散困难，易发生溶质原子的偏析现象。由此，将时效的温度限定在上述范围内，可以改善合金中溶质原子偏析的现象，提高合金的服役性能。
46.在本发明的一些实施例中，所述时效的时间为8h-10h。例如，时效的时间可以为8.3h-9.8h，8.5h-9.6h，8.6h-9.2h等。当时效时间过长时，会导致合金时效过度，降低了对合金的强化效果，甚至会使合金产生软化；当时效的时间过短时，会导致合金时效不足，降低了对合金的强化效果。由此，将时效的时间限定在上述范围内，可以提高合金的服役性能。
47.需要说明的是，“在热处理的冷却步骤中施加脉冲磁场”指的是在合金时效处理之后，将合金置于自然环境进行缓慢冷却的过程中施加脉冲磁场，脉冲磁场是用间歇振荡器产生间歇脉冲电流，将这种电流通入电磁铁的线圈即可产生各种形状的脉冲磁场。脉冲磁场的特点是间歇式出现磁场，磁场的变化频率、波形和峰值可根据需要进行调节。对于脉冲磁场的施加装置不特殊限定，在本发明的一个实施例中，采用的脉冲磁场装置如图1所示，具体的，所述脉冲磁场装置包括可移动磁轭1、样品台2、线圈3和固定磁轭4，将时效之后的合金置于样品台上，可根据合金样品的大小调整可移动磁轭1和固定磁轭4之间的间距，并通过内置控制器调整磁场的强度及脉宽和脉冲周期，产生低频方波电流，进而对合金进行脉冲磁场处理。
48.在本发明的一些实施例中，冷却开始t分钟后，施加所述脉冲磁场，t≤5。例如，t可以为0-4.5，1-4，1.5-3.5，2-3等。时效之后再将合金进行冷却的过程中，合金内部的溶质原子还处在可分散的状态，此时施加脉冲磁场，利用磁致塑性效应可以使合金样品内部高能缺陷处的团簇的溶质原子发生解聚扩散，从而能够改善溶质原子的偏析现象。然而当冷却时间过长之后再施加脉冲磁场，会使得溶质原子的扩散速率降低，影响合金的服役性能。由此，将开始施加脉冲磁场的时间限定在上述冷却时间的范围之内，可以改善溶质原子的偏析现象，从而提高合金的服役性能。
49.需要说明的是，磁致塑性效应指的是磁场对合金材料的塑性、强度和结构缺陷状
态的影响，高能缺陷指的是在合金制备工艺过程中，在合金内部出现的晶界、相界和位错等，这些缺陷的存在均会使体系的内能升高，也会使得溶质原子在这些缺陷处进行聚集，导致合金材料的组织不均匀性较高，合金的裂纹扩展速率较高，降低合金的服役性能。
50.在本发明的一些实施例中，所述脉冲磁场的强度为0.6t-3t。例如，脉冲磁场的强度可以为0.8t-2.8t，1t-2.6t，1.2t-2.3t，1.5t-2.0t，1.6t-1.8t等。将脉冲磁场的强度限制在上述范围内，有利于溶质原子在脉冲磁场的条件下进行扩散，改善溶质原子的偏析现象，从而提高合金的服役性能。所述脉冲磁场的强度优选为1t-2t。
51.在本发明的一些实施例中，所述脉冲磁场的施加时间为2min-5min。例如，脉冲磁场的施加时间可以为2.5min-4.5min，3min-4min，3.3min-3.8min等。需要说明的是，脉冲磁场的施加时间指的脉冲磁场过程的总的施加时间，即脉冲磁场开始施加到脉冲磁场结束施加的时间，参照图2显示了脉冲磁场的工作图谱，从图中e点所显示的时间就是脉冲磁场的施加时间。将脉冲磁场的时间时间限定在上述范围内，使得脉冲磁场处理用时短，几乎不会影响生产节奏，简单方便。所述脉冲磁场的施加时间优选为3min-4min。
52.在本发明的一些实施例中，所述脉冲磁场的脉冲宽度为0.5s-10s，脉冲宽度指的是一次脉冲所能达到最大值所持续的时间，参照图2，c点的时间与b点时间的差值即为脉冲宽度，例如，脉冲磁场的脉冲宽度可以是1s-9s，2s-8s，3s-7s，4s-6s等。由此，将脉冲磁场的脉冲宽度限定在上述范围内，有利于溶质原子在脉冲磁场的条件下进行扩散，改善溶质原子的偏析现象，从而提高合金的服役性能。
53.在本发明的一些实施例中，所述脉冲磁场的脉冲周期为2s-11s。脉冲周期指的是相邻脉冲到达时间的差值，参照图2，从a点到c点的时间段为一个脉冲周期，例如，脉冲磁场的脉冲周期可以是3s-10s，4s-9s，5s-8s，6s-7s等。由此，将脉冲磁场的脉冲周期限定在上述范围内，可以控制脉冲磁场的时间，几乎不会影响合金的生产节奏，有利于溶质原子在脉冲磁场的条件下进行扩散，改善溶质原子的偏析现象，从而提高合金的服役性能。
54.根据本发明的实施例，只需要在合金冷却的过程中施加一定时间的脉冲磁场，利用磁致塑性效应使合金内部高能缺陷处的溶质原子团簇发生解聚扩散，能够提高合金的强度，降低合金表面裂纹的扩展速率，提升了合金材料的服役性能。此外，本发明提供的方法不会对合金样品的外观尺寸和形貌产生影响，可用于加工步骤的最后一步，处理用时短，几乎不会影响合金的生产节奏，且不会产生热效应，便捷环保。
55.本发明的再一个方面，提出了一种合金。根据本发明的实施例，所述合金采用上述的合金制备方法得到的，在合金热处理的冷却过程中施加一定时间的脉冲磁场，利用磁致塑性效应可以使合金样品内部高能缺陷处的团簇的溶质原子发生解聚扩散，能够提高合金的强度，降低合金表面裂纹的扩展速率，提升了合金材料的服役性能。此外，本发明提供的方法不会对合金样品的外观尺寸和形貌产生影响，可用于加工步骤的最后一步，处理用时短，几乎不会影响合金的生产节奏，且不会产生热效应，便捷环保。
56.在本发明的一些实施例中，所述合金包括钛合金和铝合金中的至少一种。由此，通过在合金热处理的冷却步骤中施加脉冲磁场，能够改变合金内部原子的自旋组态而使合金内部的溶质原子与位错等缺陷的钉扎作用减弱，促进合金内部原子的扩散作用，改善合金中组织分布不均匀的现象，提升合金的服役性能。
57.下面将结合实施例对本公开的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的
实施例仅用于说明本公开，而不应视为限定本公开的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
58.实施例1
59.(1)在760℃的温度下，将ti-1023合金样品进行固溶处理120min，然后将固溶处理后的ti-1023合金进行水淬处理；
60.(2)在520℃的温度下，将水淬处理后的ti-1023合金进行时效处理8h，再将时效后的ti-1023合金进行空冷处理，并控制空冷的冷却速率为1℃
·
s-1
。
61.(3)在ti-1023合金空冷1min后，开始施加强度为1.5t的脉冲磁场，并控制脉冲磁场的脉宽为0.5s和脉冲周期为2s，进行3min的脉冲磁场处理之后，停止脉冲磁场，将ti-1023合金继续空冷到室温后，得到磁处理后的ti-1023合金。
62.实施例2-13和对比例1-2的所得到的ti-1023合金，除热处理工艺中空冷速率和脉冲磁场的参数不同外(参见表1)，其余与实施例1相同。
63.本技术实施例1-13和对比例1-2中对ti-1023合金进行热处理的参数如表1所示。
64.表1
[0065][0066]
“‑”
表示没有进行脉冲磁场
[0067]
性能测试
[0068]
(1)磁性曲线测试：
[0069]
以实施例1为例，在室温下通过超导量子干涉磁测量仪squid，测量磁处理前后ti-1023合金的磁化曲线。该设备对弱磁性样品有较好的检测结果，可用于表征fe原子团簇的富集程度。这是因为fe原子通常集中在材料体系中高能态的缺陷处，例如晶界、相界和位错处。磁强计对样品施加磁场强度从15000oe逐渐变化至-15000oe，再回到15000oe的周期磁场。体系内顺磁性和铁磁性物质对于该外加磁场呈现出不同的变化。对于ti-1023合金而言，其内部主要含有ti、al、v、fe这几种元素，其中只有fe是铁磁性的，其余均是顺磁性的。当某区域fe浓度高时，仪器可以检测出磁场中由它引起的磁矩变化。然而，当fe原子分散
时，它们的局部浓度低于检测极限，这将不再对测试得到的材料的整体磁化曲线做出贡献。对样品先进行一次磁化曲线测试，再进行磁处理，磁处理后重新测试这些样品的磁化曲线。每次测试前对样品进行退磁。图3显示了实施例1和对比例2的磁性曲线对比图，图4显示了对比例1和对比例2的磁性曲线对比图，图中的纵坐轴代表了合金的饱和磁化强度，可从图中5.0
×
105a/m-1.0
×
106a/m之间的平台读取合金的饱和磁化强度ms，其中，ms可以表征fe原子团簇的富集程度，ms越大，则fe原子偏析越严重。
[0070]
实施例2-13和对比例1-2所得ti-1023合金的ms的测试过程同上。
[0071]
(2)拉伸测试：
[0072]
以实施例1为例，在室温下以2mm/min的速率在zwick/roell z100拉伸仪上进行拉伸试验，ti-1023合金长度为65mm。加持段采用螺纹状，引伸计在低应变幅(小于2％)时使用，初始标距为25mm。拉伸试验符合相应国家标准(gb/t 228.1-2010)。图5显示了实施例1和对比例2的拉伸测试对比图，图中的纵坐轴表示的是工程应力也是合金的拉伸强度，图中的峰值即为合金的拉伸强度。
[0073]
实施例2-13和对比例1-2所得ti-1023合金的拉伸强度的测试过程同上。
[0074]
(3)疲劳裂纹扩展速率试验：
[0075]
以实施例1为例，疲劳裂纹扩展速率的测试在mts810试验机上进行，试验符合相应国家标准(gb/t 6398-2017)裂纹扩展方向与ti-1023合金锻件长向一致。所有试验在室温下进行，采用升k法，应力比选择0.1，频率设置为10hz，加载波形为正弦波。图6显示了实施例1和对比例2的疲劳裂纹扩展速率对比图，其中，纵坐轴表示的每一次循环周次合金裂纹扩展的长度，横坐轴表示的是测试过程中施加的应力强度因子，通过对比相同应力强度因子下合金的裂纹扩展长度，裂纹扩展长度越小说明合金的抗疲劳性能越好。
[0076]
实施例2-13和对比例1-2所得ti-1023合金的疲劳裂纹扩展速率的测试过程同上。
[0077]
各实施例和对比例的ti-1023合金的性能测试结果见表2所示。
[0078]
表2
[0079][0080][0081]
由表2和图3可知，对比实施例1和对比例2，对比例2在空冷时未经过磁处理的合
金，其ms值为0.0046emu/g，而实施例1是空冷时加入磁处理后的合金，其ms值为0.0022emu/g，明显比对比例2小，这是由于脉冲磁场的施加使得fe原子团簇发生了扩散，低浓度的fe原子团簇不能够被仪器检测，从而对合金材料的整体磁化曲线不再产生贡献。
[0082]
图4显示了对比例1和对比例2的磁性曲线的对比图，从图中可得对比例1所得合金的ms值为0.0041emu/g，对比例1所得合金的ms值为0.0046emu/g，而本技术实施例1的ms值为0.0022emu/g，对比例1-2的ms值明显大于实施例1中的数值，可见，对比例1-2制备的合金中fe原子发生了团簇，而本技术中脉冲磁场的施加使得fe原子团簇发生了扩散。
[0083]
图5显示了实施例1和对比例2的拉伸测试对比图，从图中可得实施例1所得合金的拉伸强度为1197mpa，对比例2所得合金的拉伸强度为1150mpa，可见实施例1所得合金的拉伸强度明显高于对比例2所得合金的拉伸强度，由此，说明采用本技术的合金制备方法，能够提高合金的服役性能。
[0084]
图6显示了实施例1和对比例2的疲劳裂纹扩展速率对比图，为了增加测试的可信度，同一个参数分别对实施例1和对比例2所得的合金进行了两组测试，从图中可以看出经过两组测试，显示对比例2所得合金的疲劳裂纹扩展速率较高，而实施例1所得合金的裂纹扩展速率降低，说明本技术在合金热处理的冷却步骤中施加脉冲磁场，能够提升合金的服役性能。
[0085]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、“一些实施方案”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0086]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种合金的制备方法，其特征在于，包括：将合金进行热处理，并在热处理的冷却步骤中施加脉冲磁场，得到合金。2.根据权利要求1所述的合金的制备方法，其特征在于，冷却开始t分钟后，施加所述脉冲磁场，t≤5。3.根据权利要求1所述的合金的制备方法，其特征在于，所述脉冲磁场的强度为0.6t-3t，可选为1t-2t；任选地，所述脉冲磁场的施加时间为2min-5min，可选为3min-4min。4.根据权利要求1-3中任一项所述的合金的制备方法，其特征在于，所述脉冲磁场的脉冲宽度为0.5s-10s；任选地，所述脉冲磁场的脉冲周期为2s-11s。5.根据权利要求1-3中任一项所述的合金的制备方法，其特征在于，所述冷却包括空冷；任选地，所述空冷的冷却速度0.1℃/s-2℃/s。6.根据权利要求1-3中任一项所述的合金的制备方法，其特征在于，所述热处理包括固溶、水淬、时效和冷却。7.根据权利要求6所述的合金的制备方法，其特征在于，所述固溶的温度为705℃-775℃；任选地，所述固溶时间为60min-120min。8.根据权利要求6所述的合金的制备方法，其特征在于，所述时效的温度为480℃-620℃；任选地，所述时效的时间为8h-10h。9.一种合金，其特征在于，所述合金采用权利要求1-8中任一项所述的方法制得。10.根据权利要求9所述的合金，其特征在于，所述合金包括钛合金和铝合金中的至少一种。

技术总结
本发明涉及一种合金的制备方法及合金，所述合金的制备方法包括将合金进行热处理，并在热处理的冷却步骤中施加脉冲磁场，得到合金。由此，通过在合金热处理的冷却步骤中施加脉冲磁场，能够改变合金内部原子的自旋组态，降低溶质原子与位错之间的钉扎作用，从而降低合金内部的缺陷，促进合金内部原子的扩散作用，改善合金中组织分布不均匀的现象，提升合金的服役性能。役性能。役性能。


技术研发人员：蔡志鹏 王曦梓 李克俭
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/9/5