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“功能金属”之一:铜钛合金

   2024-07-15 IP属地 陕西8830

  弹性合金是精密仪器仪表和精密机械中不可缺少的材料,用于制造接插件、弹簧连接器、开关、接触片等,在电子信息、汽车、通讯工业以及载人航天等领域有重要应用。其中,铍青铜号称“弹性材料之王”,不仅具有很高的强度、弹性、耐磨性和耐疲劳性,还具有良好的导电、导热、无磁和冲击无火花等性能,在弹性合金领域占据主导地位。然而,铍青铜生产过程存在毒性问题,且铍青铜元件高温抗应力松弛能力差、高温导电稳定性低和时效后元件的变形度大等问题,已满足不了精密仪器的要求。

  为了替代铍青铜合金,国内外开展了新型高弹高强铜合金研究,主要有Cu-Ni-Sn系列、Cu-Ni-Mn系列、Cu-Ni-Si系列、Cu-Ni-Al系列以及Cu-Ti系列。其中,Cu-Ni-Mn、Cu-Ni-Al系列合金,虽具有超高强度和高抗应力松驰性能,但导电性能较差;Cu-Ni-Si系列和Cu-Ni-Al-Si合金的强度和抗疲劳性能偏低。

  相比之下,Cu-Ti合金具有高强度、高硬度和高弹性,优良的耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性、可焊性以及机械加工性,与铍青铜相当;与铍青铜相比,Cu-Ti合金的高温性能更为优异。因此,Cu-Ti合金是替代铍青铜最有潜力的材料之一。

  Cu-Ti合金是典型的时效硬化型合金,一般Ti含量在1%~6%。时效过程中,过饱和的Cu-Ti合金发生分解:首先是固溶体中复杂的有序化和团簇的形成,然后通过非典型形核或调幅先分解,形成亚稳态的有序共格β'-Cu4Ti相,导致Cu-Ti合金强化;随着Cu4Ti相的逐渐长大,与基体失去共格关系,形成了稳定相β-Cu3Ti相,Cu-Ti合金强度下降。

图 Cu-Ti合金相图

  铜钛合金目前在研究上取得了大量成果:(1)厘清了Cu-Ti二元合金的相变过程,确定了调幅分解→fcc有序相→长程有序相β'-Cu4Ti相→Cu3 Ti相的相变顺序;(2)发展出Cu-Ti-Sn、Cu-Ti-Ni和Cu-Ti-Al等系列铜合金,其中Cu-Ti-Ni系列相对强度和导电率较好;(3)铜钛合金大部分的熔炼工艺采用真空熔炼,少部分采用粉末冶金技术,大气环境下熔炼困难较大,连铸工艺尚未成熟,铜钛合金的工业化大生产仍是一个挑战【郑良玉等,高强高弹代铍铜钛合金研究进展】。

  随着航空航天行业、电子信息行业快速发展,对导电弹性合金提出了更高要求,对于铜钛合金的需求量将越来越大。


 
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