一种含钽高强高导铜合金及其制备方法与流程

本发明涉及高强高导铜合金，更具体地，涉及一种含钽高强高导铜合金及其制备方法。

背景技术：

1、铜合金因其优异的导电导热性能，广泛应用于液体火箭发动机燃烧室内衬等高热流密度构件。此类服役环境要求材料兼具良好的室温加工性能、500~700℃下的高温强度与抗软化能力，以及较高的热导率。然而，纯铜高温强度不足，cu-cr-zr、cu-ni-si等常规沉淀强化铜合金在目标温区内强化相易溶解粗化导致性能退化，难以满足上述严苛要求。

2、近年来发展的cu-cr-nb系高温铜合金，通过在高导电cu基体中引入热稳定的cr2nb型laves相实现高温强化。然而，该类合金仍面临显著的强度—热导率矛盾，提高cr、nb含量以增加强化相体积分数时，cu基体中残余固溶原子增多、相界面大幅增加，加剧电子和声子散射，导致热导率明显下降，同时凝固偏析易形成粗大或连续网状第二相，损害加工塑性。此外，nb在cu中溶解度极低，常规一次熔炼难以实现均匀溶解。已有研究表明引入ta替代部分nb位参与laves相形成，有望利用其高稳定性抑制第二相粗化，但ta添加量及cr/(nb+ta)原子比若控制不当，易形成未溶颗粒或脆性相，反而恶化加工性能与导热能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种含钽高强高导铜合金及其制备方法，用于解决现有高温铜合金难以兼顾高温强度、热导率与加工性能的技术问题。有鉴于此，本发明通过以下方案予以实现。

2、第一方面，本发明提供了一种含钽高强高导铜合金，按质量百分比计包括：铬为2.60~3.00wt.%、铌为2.00~2.50wt.%、钽为0.30~0.50wt.%，余量为铜及不可避免的杂质；该合金中，铬与铌和钽之和的原子比为2.00~2.10，且钽在铌和钽之和中的原子分数为0.05~0.12。

3、与现有技术相比，本发明的含钽高强高导铜合金中，通过将铬、铌、钽三元素的质量分数分别限定为2.60~3.00wt.%、2.00~2.50wt.%和0.30~0.50wt.%，并同步约束铬与铌和钽之和的原子比r为2.00~2.10、钽在铌和钽之和中的原子分数为0.05~0.12，有利于改善低总合金化条件下合金高温强度与热导率的综合匹配。具体地，现有cu-cr-nb合金的高温性能依赖于在铜基体中析出cr2nb型laves相，但该体系存在根本性的强度-热导率矛盾：提升cr、nb含量虽能增加强化相体积分数以获得更高高温强度，却必然导致铜基体中残余固溶原子增多、第二相与基体界面密度大幅增加，两者均加剧对传导电子和声子的散射，使热导率显著下降；同时，过量第二相在高温服役条件下仍会发生粗化，削弱强化效果并损害加工塑性，常规思路只能在此矛盾中取舍权衡，无法实现高温强度与热导率的同步提升。本发明对上述矛盾的解决首先体现于原子比r的精确约束，laves相作为ab2型金属间化合物，其化学组成与物理性能对a位与b位的相对比例极为敏感，当r值偏离2.00时，偏离化学计量比会造成游离铬或残余难熔元素，无法完全进入laves相晶格而残留于铜基体中，引起局域晶格畸变并对传导电子产生散射，损害热导率；本发明通过将r值严格限定在2.00~2.10这一趋近理想化学计量比的窗口内，有利于促进cr、nb和ta以cr2(nb,ta)型laves相形式存在，并降低cu基体中残余溶质含量，为较高热导率的保持创造条件。在此基础上，本发明引入特定比例的钽对laves相进行原位改性，钽与铌同为难熔金属元素，在cr2nb晶格中可与铌实现互溶，将钽在铌和钽之和中的原子分数限定为0.05~0.12，即以钽替代约5~12at.%的铌位，使钽原子直接固溶进cr2nb的laves相晶格中形成cr2(nb,ta)复合laves相；与nb相比，ta具有更高的熔点（ta为3017℃，nb为2477℃），替代nb位后利用ta对高温扩散和第二相粗化的抑制作用改善高温组织稳定性。通过本发明的上述技术方案，解决了现有高温铜合金难以兼顾高温强度、热导率与加工性能的技术问题。

4、进一步地，本发明的含钽高强高导铜合金中，铬、铌和钽的总含量为5.00~5.80wt.%；所述合金中的强化相为cr2(nb,ta)型复合laves相。

5、进一步地，本发明的含钽高强高导铜合金中，铬与铌和钽之和的原子比为2.03~2.07。

6、第二方面，本发明提供了一种含钽高强高导铜合金的制备方法，包括：

7、按配比称取铜、铬、铌和钽原料；

8、取铜总质量的5~15%与全部铬、铌和钽进行熔炼，并凝固，将所得预合金锭翻面并重复熔炼3~4次，得到预合金锭；

9、将所述预合金锭与剩余铜进行合熔，并凝固，将所得铸锭翻面并重复熔炼5~6次，得到铸锭；

10、将所述铸锭在300~450℃下进行多道次温轧，得到温轧板材；

11、将所述温轧板材在450~550℃下进行时效热处理，保温0.5~4h后快速冷却至室温，得到所述含钽高强高导铜合金。

12、与现有技术相比，本发明的含钽高强高导铜合金的制备方法的有益效果与上述技术方案所述的含钽高强高导铜合金的有益效果相同，此处不再赘述。

13、进一步地，本发明的含钽高强高导铜合金的制备方法中，所述含钽高强高导铜合金中，铬、铌和钽的总含量为5.00~5.80wt.%；所述合金中的强化相为cr2(nb,ta)型复合laves相。

14、进一步地，本发明的含钽高强高导铜合金的制备方法中，所述取铜总质量的5~15%与全部铬、铌和钽进行熔炼时，采用阶梯式提高电弧功率进行熔炼，熔池表面参考温度依次为1150~1250℃、1450~1550℃和1800~1900℃，并分别保持5~15秒、5~15秒和20~40秒。

15、进一步地，本发明的含钽高强高导铜合金的制备方法中，所述合熔采用阶梯式升温，熔池表面参考温度依次为1150~1250℃、1400~1500℃和1650~1780℃；最后1~2次重熔时控制熔池表面参考温度为1650~1720℃。

16、进一步地，本发明的含钽高强高导铜合金的制备方法中，所述多道次温轧的单道次压下率为5~12%，总压下率为60~75%，每道次轧制后回炉保温3~5分钟；温轧的温度为300~450℃。

17、进一步地，本发明的含钽高强高导铜合金的制备方法中，所述快速冷却为水冷；所述时效热处理在真空或惰性气氛中进行。

18、第三方面，本发明提供了上述含钽高强高导铜合金在液体火箭发动机再生冷却燃烧室内衬或500~700℃高热流密度构件中的应用。

1.一种含钽高强高导铜合金，其特征在于，按质量百分比计包括：

2.根据权利要求1所述的含钽高强高导铜合金，其特征在于，铬、铌和钽的总含量为5.00~5.80wt.%；

3.根据权利要求1所述的含钽高强高导铜合金，其特征在于，铬与铌和钽之和的原子比为2.03~2.07。

4.一种含钽高强高导铜合金的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至3中任一项所述的含钽高强高导铜合金，包括：

5.根据权利要求4所述的含钽高强高导铜合金的制备方法，其特征在于，所述含钽高强高导铜合金中，铬、铌和钽的总含量为5.00~5.80wt.%；所述合金中的强化相为cr2(nb,ta)型复合laves相。

6.根据权利要求4所述的含钽高强高导铜合金的制备方法，其特征在于，所述取铜总质量的5~15%与全部铬、铌和钽进行熔炼时，采用阶梯式提高电弧功率进行熔炼，熔池表面参考温度依次为1150~1250℃、1450~1550℃和1800~1900℃，并分别保持5~15秒、5~15秒和20~40秒。

7.根据权利要求4所述的含钽高强高导铜合金的制备方法，其特征在于，所述合熔采用阶梯式升温，熔池表面参考温度依次为1150~1250℃、1400~1500℃和1650~1780℃；最后1~2次重熔时控制熔池表面参考温度为1650~1720℃。

8.根据权利要求4所述的含钽高强高导铜合金的制备方法，其特征在于，所述多道次温轧的单道次压下率为5~12%，总压下率为60~75%，每道次轧制后回炉保温3~5分钟；温轧的温度为300~450℃。

9.根据权利要求4所述的含钽高强高导铜合金的制备方法，其特征在于，所述快速冷却为水冷；所述时效热处理在真空或惰性气氛中进行。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的含钽高强高导铜合金或根据权利要求4至9中任一项所述的含钽高强高导铜合金的制备方法制得的含钽高强高导铜合金在液体火箭发动机再生冷却燃烧室内衬或500~700℃高热流密度构件中的应用。