Cu-30Ni合金管材的工藝優(yōu)化及表面納米化研究.pdf

1、銅鎳合金（Cu-30Ni）具有優(yōu)異的機(jī)械成型性能、傳熱性能、超強(qiáng)的抗海水沖刷腐蝕性能和抗海洋生物污染性能，被廣泛應(yīng)用于海洋工程中各類艦船的冷凝管材、濱海發(fā)電廠的熱交換器以及海水淡化處理設(shè)備的管道系統(tǒng)等。然而，目前國(guó)內(nèi)Cu-30Ni合金管材的成材率只有25％～33％，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的成材率也只有50‰～53％；此外，Cu-30Ni合金管材在使用過程中，其使用壽命比預(yù)期設(shè)計(jì)的壽命低很多，甚至在2000～3000h內(nèi)失效。因此，成材率和使用壽命

2、問題極大地限制Cu-30Ni合金管材在性能要求越來越高的核動(dòng)力艦船、核電站、海水淡化等行業(yè)的使用。鑒于此，本文采用光學(xué)顯微鏡（OM）、電子掃描電鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、X射線-衍射（XRD）、拉伸、納米壓痕、電化學(xué)、電子功函數(shù)（EWF）、劃擦（CER）、磨損性能等分析和測(cè)試方法，對(duì)Cu-30Ni合金管材的加工缺陷和退火工藝問題、添加稀土對(duì)鑄態(tài)Cu-30Ni合金組織和性能影響、表面納米化對(duì)Cu-30Ni合金管材組織和性能的影

3、響等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并從顯微組織結(jié)構(gòu)和性能變化角度對(duì)劇烈塑性變形（SPD）納米結(jié)構(gòu)的演變及其退火導(dǎo)致納米晶形成機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　 無損滲透技術(shù)對(duì)加工缺陷進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，裂紋（長(zhǎng)裂紋、短裂紋、V型裂紋）是Cu-30Ni合金管材加工過程中主要缺陷，占總?cè)毕莸?5％，含Ni量高的Cu-30Ni合金鑄造熱應(yīng)力大，高溫變形抗力大，從而雜質(zhì)的存在有利于促進(jìn)裂紋的形成，因此Cu-30Ni合金管材的加工失效是由于在加工過程中雜質(zhì)

4、存在引起的裂紋擴(kuò)展。通過比較發(fā)現(xiàn)，裂紋對(duì)Cu-30Ni合金管材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度沒有明顯影響，但會(huì)顯著惡化塑性，使延伸率降低了約62％（含裂紋管材為6.0％，不含裂紋管材為15.8％）。這些雜質(zhì)具有不同的化學(xué)成份，因此其來源不同，根據(jù)化學(xué)成份，可以推斷出這些雜質(zhì)分別來源于熔煉時(shí)過量Mn、Fe元素的添加及加工環(huán)境的污染。
　　 退火處理是制備Cu-30Ni合金管材的最后一道加工工藝，其直接影響Cu-30Ni合金管材的使用性能。結(jié)

5、果表明，在退火過程中，Cu-30Ni合金管材組織由原始纖維組織逐漸演變?yōu)樵俳Y(jié)晶組織，在Cu-30Ni合金管材表面形成富Ni的表面膜和在基體中形成富Ni的細(xì)小顆粒相。當(dāng)退火溫度在680～720℃時(shí)，硬度和σb保持穩(wěn)定，當(dāng)退火溫度升高到770℃時(shí)，硬度和σb分別下降到約81Hv和330MPa。海水浸泡初期（15天內(nèi)），富Ni的表面膜對(duì)Cu-30Ni合金管材的腐蝕影響占主導(dǎo)作用，Ec，ic變化不穩(wěn)定，富Ni的表面膜電位較負(fù)，相對(duì)于基體成為陽極

6、性保護(hù)；隨著海水浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)（15～45天），顯微組織結(jié)構(gòu)對(duì)Cu-30Ni合金管材耐海水腐蝕性能起主要作用，Ec，ic變化比較平穩(wěn)，富Ni細(xì)小顆粒比基體電位較負(fù)，成為微電池的陽極，優(yōu)先被腐蝕。720℃退火30min處理的Cu-30Ni合金管材具有較高力學(xué)性能和較好的耐海水腐蝕性能，與680℃退火50min處理的合金管材相比，其硬度提高了約4.5％，抗拉強(qiáng)度提高了約12.5％，而其腐蝕電位提高了約12.1％，腐蝕電流密度降低了約71.5

7、％。
　　 鑄態(tài)Cu-30Ni-xRE（x=0～0.213）合金的顯微組織和力學(xué)性能分析結(jié)果表明，稀土能夠有效去除Cu-30Ni合金中O、S、P等元素的雜質(zhì)，細(xì)化組織，使σb，σ0.2，ε分別提高9.6％，11.6％，20.9％。添加0.095wt％RE能夠提高Cu-30Ni合金腐蝕電位約45mV，降低腐蝕電流密度約47μA/c㎡，與Cu-30Ni合金相比，鑄態(tài)Cu-30Ni-0.095RE合金提高了腐蝕電位約17.3％，降低了

8、腐蝕電流密度約38.0％。其原因是由于：稀土能夠去除O、S、P等元素的夾雜，減少原電池?cái)?shù)目；同時(shí)稀土能夠減小Ni元素偏析，降低枝晶和晶間腐蝕電位差值，引起基體中腐蝕驅(qū)動(dòng)力降低，從而改善了鑄態(tài)Cu-30Ni合金的耐腐蝕性能。鑄態(tài)Cu-30Ni-0.095RE合金具有最佳的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。
　　 采用錘擊技術(shù)對(duì)Cu-30Ni合金管材進(jìn)行表面納米化處理，并研究了Cu-30Ni合金管材表面的組織和性能。結(jié)果表明，錘擊和退火處理能夠

9、在Cu-30Ni合金管材表面產(chǎn)生納米晶表面層，其納米晶層厚度隨著錘擊時(shí)間增加而增加，當(dāng)錘擊時(shí)間為120min時(shí)，表面晶粒尺寸可達(dá)35nm，納米晶層厚度約為80μm，且晶粒尺寸從表面到基體逐漸從納米晶粒過渡到粗大晶粒，具有梯度變化的特點(diǎn)。
　　 與原始Cu-30Ni合金管材相比，錘擊120min和400℃退火1h試樣的硬度和彈性性能（η）分別提高了約5.4倍和3.6倍。Cu-30Ni合金在NaCl溶液中能夠鈍化，其表面納米化導(dǎo)致晶

10、界的增多必然促進(jìn)原子的遷移和擴(kuò)散，從而有利于鈍化膜的行成，提高耐腐蝕性能，隨著晶粒尺寸從10μm下降到35nm，鈍化電流密度從3.890×10-5A/c㎡逐漸下降到0.119×10-5A/c㎡（降低了約96.9％），腐蝕電位從-0.212V升高到-0.193V（增加了約9.0％），電子功函數(shù)值從4.55eV升高到4.90eV（升高了約7.7％）。當(dāng)晶粒尺寸不小于35nm時(shí)，硬度與晶粒尺寸之間符合Hall-Petch關(guān)系：H=51.0+2

11、146.3d1/2。隨著晶粒尺寸從10μm減小到35nm，在空氣中磨損速率從4.21mm3/m減小到0.42mm3/m，摩擦系數(shù)從0.306μ減小到0.119μ；在NaCl溶液中的磨損速率從4.66mm3/m減小到0.42mm3/m，摩擦系數(shù)從0.342μ減小到0.137μ，即與原始Cu-30Ni合金管材相比，錘擊120min和400℃退火1h處理試樣的磨損速率和摩擦系數(shù)都降低了約90.0％和60.0％（在空氣中和NaCl溶液中），耐磨

12、損性能約可提高一倍。在空氣中，磨損符合Archard類型，其主要取決于晶粒尺寸：vair=6.82+0.17d1/2，而在NaCl溶液中，磨損和腐蝕相互促進(jìn)，從而導(dǎo)致磨損速率和摩擦系數(shù)高于在空氣中的磨損速率和摩擦系數(shù)，磨痕形貌觀察也直觀證明表面納米化顯著改善耐磨損性能。
　　 持續(xù)增加錘擊劇烈塑性變形應(yīng)變量導(dǎo)致大量位錯(cuò)胞或位錯(cuò)墻形成，且位錯(cuò)胞尺寸逐漸減小，當(dāng)劇烈塑性變形導(dǎo)致位錯(cuò)的增加和位錯(cuò)間反應(yīng)引起位錯(cuò)減少達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，位錯(cuò)胞