发布时间：2021-09-18 13:08:06

BFe30-1-1（B30）Cu-30Ni铜镍合金管材的工艺优化：

铜镍合金（Cu-30Ni）具有优异的机械成型性能、传热性能、超强的抗海水冲刷腐蚀性能和抗海洋生物污染性能，被广泛应用于海洋工程中各类舰船的冷凝管材、滨海发电厂的热交换器以及海水淡化处理设备的管道系统等。然而，目前国内Cu-30Ni合金管材的成材率只有25％～33％，一些发达国家的成材率也只有50‰～53％；此外，Cu-30Ni合金管材在使用过程中，其使用寿命比预期设计的寿命低很多，甚至在2000～3000h内失效。因此，成材率和使用寿命问题极大地限制Cu-30Ni合金管材在性能要求越来越高的核动力舰船、核电站、海水淡化等行业的使用。鉴于此，本文采用光学显微镜（OM）、电子扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线-衍射（XRD）、拉伸、纳米压痕、电化学、电子功函数（EWF）、划擦（CER）、磨损性能等分析和测试方法，对Cu-30Ni合金管材的加工缺陷和退火工艺问题、添加稀土对铸态Cu-30Ni合金组织和性能影响、表面纳米化对Cu-30Ni合金管材组织和性能的影响等进行了较为系统的研究，并从显微组织结构和性能变化角度对剧烈塑性变形（SPD）纳米结构的演变及其退火导致纳米晶形成机理进行了探讨。　　

无损渗透技术对加工缺陷进行分类统计结果表明，裂纹（长裂纹、短裂纹、V型裂纹）是Cu-30Ni合金管材加工过程中主要缺陷，占总缺陷的75％，含Ni量高的Cu-30Ni合金铸造热应力大，高温变形抗力大，从而杂质的存在有利于促进裂纹的形成，因此Cu-30Ni合金管材的加工失效是由于在加工过程中杂质存在引起的裂纹扩展。通过比较发现，裂纹对Cu-30Ni合金管材的抗拉强度和屈服强度没有明显影响，但会显著恶化塑性，使延伸率降低了约62％（含裂纹管材为6.0％，不含裂纹管材为15.8％）。这些杂质具有不同的化学成份，因此其来源不同，根据化学成份，可以推断出这些杂质分别来源于熔炼时过量Mn、Fe元素的添加及加工环境的污染。　　

退火处理是制备Cu-30Ni合金管材的最后一道加工工艺，其直接影响Cu-30Ni合金管材的使用性能。结果表明，在退火过程中，Cu-30Ni合金管材组织由原始纤维组织逐渐演变为再结晶组织，在Cu-30Ni合金管材表面形成富Ni的表面膜和在基体中形成富Ni的细小颗粒相。当退火温度在680～720℃时，硬度和σb保持稳定，当退火温度升高到770℃时，硬度和σb分别下降到约81Hv和330MPa。海水浸泡初期（15天内），富Ni的表面膜对Cu-30Ni合金管材的腐蚀影响占主导作用，Ec，ic变化不稳定，富Ni的表面膜电位较负，相对于基体成为阳极性保护；随着海水浸泡时间的延长（15～45天），显微组织结构对Cu-30Ni合金管材耐海水腐蚀性能起主要作用，Ec，ic变化比较平稳，富Ni细小颗粒比基体电位较负，成为微电池的阳极，优先被腐蚀。720℃退火30min处理的Cu-30Ni合金管材具有较高力学性能和较好的耐海水腐蚀性能，与680℃退火50min处理的合金管材相比，其硬度提高了约4.5％，抗拉强度提高了约12.5％，而其腐蚀电位提高了约12.1％，腐蚀电流密度降低了约71.5％。

铸态Cu-30Ni-xRE（x=0～0.213）合金的显微组织和力学性能分析结果表明，稀土能够有效去除Cu-30Ni合金中O、S、P等元素的杂质，细化组织，使σb，σ0.2，ε分别提高9.6％，11.6％，20.9％。添加0.095wt％RE能够提高Cu-30Ni合金腐蚀电位约45mV，降低腐蚀电流密度约47μA/c㎡，与Cu-30Ni合金相比，铸态Cu-30Ni-0.095RE合金提高了腐蚀电位约17.3％，降低了腐蚀电流密度约38.0％。其原因是由于：稀土能够去除O、S、P等元素的夹杂，减少原电池数目；同时稀土能够减小Ni元素偏析，降低枝晶和晶间腐蚀电位差值，引起基体中腐蚀驱动力降低，从而改善了铸态Cu-30Ni合金的耐腐蚀性能。铸态Cu-30Ni-0.095RE合金具有好的力学性能和耐腐蚀性能。　　

采用锤击技术对Cu-30Ni合金管材进行表面纳米化处理，并研究了Cu-30Ni合金管材表面的组织和性能。结果表明，锤击和退火处理能够在Cu-30Ni合金管材表面产生纳米晶表面层，其纳米晶层厚度随着锤击时间增加而增加，当锤击时间为120min时，表面晶粒尺寸可达35nm，纳米晶层厚度约为80μm，且晶粒尺寸从表面到基体逐渐从纳米晶粒过渡到粗大晶粒，具有梯度变化的特点。　　

与原始Cu-30Ni合金管材相比，锤击120min和400℃退火1h试样的硬度和弹性性能（η）分别提高了约5.4倍和3.6倍。Cu-30Ni合金在NaCl溶液中能够钝化，其表面纳米化导致晶界的增多必然促进原子的迁移和扩散，从而有利于钝化膜的行成，提高耐腐蚀性能，随着晶粒尺寸从10μm下降到35nm，钝化电流密度从3.890×10-5A/c㎡逐渐下降到0.119×10-5A/c㎡（降低了约96.9％），腐蚀电位从-0.212V升高到-0.193V（增加了约9.0％），电子功函数值从4.55eV升高到4.90eV（升高了约7.7％）。当晶粒尺寸不小于35nm时，硬度与晶粒尺寸之间符合Hall-Petch关系：H=51.0+2146.3d1/2。随着晶粒尺寸从10μm减小到35nm，在空气中磨损速率从4.21mm3/m减小到0.42mm3/m，摩擦系数从0.306μ减小到0.119μ；在NaCl溶液中的磨损速率从4.66mm3/m减小到0.42mm3/m，摩擦系数从0.342μ减小到0.137μ，即与原始Cu-30Ni合金管材相比，锤击120min和400℃退火1h处理试样的磨损速率和摩擦系数都降低了约90.0％和60.0％（在空气中和NaCl溶液中），耐磨损性能约可提高一倍。在空气中，磨损符合Archard类型，其主要取决于晶粒尺寸：vair=6.82+0.17d1/2，而在NaCl溶液中，磨损和腐蚀相互促进，从而导致磨损速率和摩擦系数高于在空气中的磨损速率和摩擦系数，磨痕形貌观察也直观证明表面纳米化显著改善耐磨损性能。　　

持续增加锤击剧烈塑性变形应变量导致大量位错胞或位错墙形成，且位错胞尺寸逐渐减小，当剧烈塑性变形导致位错的增加和位错间反应引起位错减少达到动态平衡时，位错胞尺寸不再减小。这些位错胞经过退火回复处理后，形成具有平衡或亚平衡晶界的纳米晶结构。硬度、弹性、电化学、划擦、电子功函数、磨损性能等的比较进一步说明了剧烈塑性变形产生的纳米结构经过退火处理后形成具有平衡状态或亚平衡晶界的纳米晶，使Cu-30Ni合金管材达到好的性能。