高固溶度Cu-Sn合金的制备及组织与性能研究
发布时间：2021-08-25 00:14
Nb3Sn低温超导材料因具备优越的高场强性能而广泛适用于高能物理（HEP）、热核聚变（ITER）、核磁共振（NMR）等10T以上高场强磁体领域。目前,多芯Nb3Sn/Cu超导线材采用Cu-Sn合金作为Sn源通过内锡法、青铜法等方法制备而成,高固溶度Cu-Sn合金需要从日本（大阪特殊合金株式会社）、德国（维兰德集团Wieland Group）等国家进口,而超高固溶度Cu-Sn合金因为技术封锁难以购买以及实现在我国国内的批量化生产。因此,本论文先采用粉末冶金技术制备超高Sn含量Cu-Sn合金毛坯,再经过轧制、热挤压等形变方式进行致密化和均匀化,然后施加高能脉冲电流进行电致塑性处理,获得了晶粒细小、高固溶的Cu-Sn合金,其性能超过进口的Cu-12.5Sn合金。基于以上研究,主要的结论如下:（1）采用粉末冶金法制备的铜锡合金晶粒尺寸约50μm,部分富Sn相仍偏析于晶界处。（2）采用不同烧结温度制备的Cu-14Sn-0.3Ti合金的物相组成不同,在750-800℃的烧结温度范围内,可制备富α相的铜锡合金。在750℃的烧结温度下,制备的不同Sn含量的Cu-xSn-0.3Ti（x=13,14,15...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
青铜法制备Nb3Sn示意图
砻鳎?背?疾牧现行纬山隙嗟墓倘芴迨保?芄焕?谥票赋?导材料且有效地提高超导材料的临界电流值（临界温度及临界磁场强度）[8-12]。因此，制备高固溶铜锡合金具有巨大的工业价值。为了便于研究国内外先进超导材料，我国从日本大阪合金因引进的Cu-Sn-Ti合金，并对其进行组织成分及物相分析（如图1-2所示），发现其青铜基体中添加了约0.3wt.%的Ti元素，由XDR图谱分析（如图1-3所示），其物相为单一固溶体α-Cu相。根据实验结果可知：从国外引进的Cu-12.5Sn合金组织为均匀的单相固溶体组织，并测得合金的密度为8.8689g/cm3。图1-2Cu-12.5Sn-Ti合金的组织形貌及EDS成分分析Fig.1-2AnalysisofthemorphologyandEDScompositionoftheCu-12.5Sn-TialloyCu-Sn合金因其良好的工业使用性能而广泛应用于电子，交通，航空航天等各种领域。然而，Sn在Cu中的固溶度低，在许多情况下限制了其应用。例如，当Cu-Sn合金用作青铜法制备Nb3Sn超导体的关键基体时，Sn在Cu中的低固溶度使得生产具有高Sn含量Nb3Sn相的Nb3Sn线材较为困难，从而限制了Nb3Sn线材的制备及应用。另外，铸态Cu-Sn合金表面会经常发生Sn的偏析现象，降低了合金的力学性能，使得具有良好性能的铜锡合金制备困难。因此，制备具有高Sn含量、均匀组织的Cu-Sn合金有着重要的意义。工业锡青铜的锡含量通常为9-10wt.%，通常采用铸造法进行制备。但由于铜锡合金制备过程中易产生偏析现象，而很难制备出单相铜锡合金。此外，制备出的铜锡合金的冷加工性能较差，故一般采用轧制变形后进行退火处理从而提高铜锡合金塑性。采用传统的
1绪论3热处理可能出现由于热处理温度与保温时间选取不合适而导致铜锡合金晶粒粗大。基于以上研究背景及现状，为了提高Sn在Cu中的固溶度才能提高高固溶铜锡合金，实现在非平衡条件强制固溶效果。图1-3Cu-12.5Sn-Ti合金的XRD图谱Fig.1-3XRDpatternoftheCu-12.5Sn-Tialloy1.2Cu-Sn合金研究现状1.2.1Cu-Sn合金简介高强度，优良的导电、导热性、耐蚀性及耐磨性，良好的金属光泽的铜合金已经被广泛应用于信息通讯、电子电力、化工、能源、国防工业现代工程技术等领域[14-22]。铜锡合金——锡青铜，是以Cu元素为基体，其主加元素为Sn，其它微量合金元素形成的一系列合金。铜是面心立方结构，熔点为1083℃，沸点为2595℃，导热系数为0.989cal/(cm·s·℃)，密度为8.96g/cm3。锡的熔点为231.89℃，在自然界存在灰锡、白锡、脆锡3种同素异形体。由于锡具有较低的熔点，通常在熔融状态下粘度小，流动性好，能够与其他金属结合而形成各种合金。1.2.2Cu-Sn合金性质及应用由Cu-Sn合金二元相图[13]，存在α、β、γ、δ几个相，α相是锡溶于纯铜中的置换固溶体，属于面心立方结构。由Cu-Sn相图，它们会形成多种金属件化合物，有Cu5Sn、Cu3Sn、Cu31Sn8等。根据平衡相图，室温下锡在铜中溶解度高达1at％，冶炼的Cu-Sn合金中存在的另一相ε-Cu3Sn含锡量高达25at％；而在500-600°C温度下，Sn在Cu中的固溶极限可达9.1at%。Cu-Sn合金具有较宽的固液两相区，结晶范围宽约(约140-160℃)，凝固后形成许多的缩孔和疏松。故采用传统铸造方法易于形成偏析，合金成分不均匀，尤其在铸件的底面和侧面“锡汗”随吸氢量的增加而增多。研究表明，锡的反偏析实际上是富锡物在树枝晶间的移动，形成的铸造缺陷使得合金的塑性及导电性能较差，从而影响了其在工业生产中的应用?
本文编号：3360998
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
青铜法制备Nb3Sn示意图
砻鳎?背?疾牧现行纬山隙嗟墓倘芴迨保?芄焕?谥票赋?导材料且有效地提高超导材料的临界电流值（临界温度及临界磁场强度）[8-12]。因此，制备高固溶铜锡合金具有巨大的工业价值。为了便于研究国内外先进超导材料，我国从日本大阪合金因引进的Cu-Sn-Ti合金，并对其进行组织成分及物相分析（如图1-2所示），发现其青铜基体中添加了约0.3wt.%的Ti元素，由XDR图谱分析（如图1-3所示），其物相为单一固溶体α-Cu相。根据实验结果可知：从国外引进的Cu-12.5Sn合金组织为均匀的单相固溶体组织，并测得合金的密度为8.8689g/cm3。图1-2Cu-12.5Sn-Ti合金的组织形貌及EDS成分分析Fig.1-2AnalysisofthemorphologyandEDScompositionoftheCu-12.5Sn-TialloyCu-Sn合金因其良好的工业使用性能而广泛应用于电子，交通，航空航天等各种领域。然而，Sn在Cu中的固溶度低，在许多情况下限制了其应用。例如，当Cu-Sn合金用作青铜法制备Nb3Sn超导体的关键基体时，Sn在Cu中的低固溶度使得生产具有高Sn含量Nb3Sn相的Nb3Sn线材较为困难，从而限制了Nb3Sn线材的制备及应用。另外，铸态Cu-Sn合金表面会经常发生Sn的偏析现象，降低了合金的力学性能，使得具有良好性能的铜锡合金制备困难。因此，制备具有高Sn含量、均匀组织的Cu-Sn合金有着重要的意义。工业锡青铜的锡含量通常为9-10wt.%，通常采用铸造法进行制备。但由于铜锡合金制备过程中易产生偏析现象，而很难制备出单相铜锡合金。此外，制备出的铜锡合金的冷加工性能较差，故一般采用轧制变形后进行退火处理从而提高铜锡合金塑性。采用传统的
1绪论3热处理可能出现由于热处理温度与保温时间选取不合适而导致铜锡合金晶粒粗大。基于以上研究背景及现状，为了提高Sn在Cu中的固溶度才能提高高固溶铜锡合金，实现在非平衡条件强制固溶效果。图1-3Cu-12.5Sn-Ti合金的XRD图谱Fig.1-3XRDpatternoftheCu-12.5Sn-Tialloy1.2Cu-Sn合金研究现状1.2.1Cu-Sn合金简介高强度，优良的导电、导热性、耐蚀性及耐磨性，良好的金属光泽的铜合金已经被广泛应用于信息通讯、电子电力、化工、能源、国防工业现代工程技术等领域[14-22]。铜锡合金——锡青铜，是以Cu元素为基体，其主加元素为Sn，其它微量合金元素形成的一系列合金。铜是面心立方结构，熔点为1083℃，沸点为2595℃，导热系数为0.989cal/(cm·s·℃)，密度为8.96g/cm3。锡的熔点为231.89℃，在自然界存在灰锡、白锡、脆锡3种同素异形体。由于锡具有较低的熔点，通常在熔融状态下粘度小，流动性好，能够与其他金属结合而形成各种合金。1.2.2Cu-Sn合金性质及应用由Cu-Sn合金二元相图[13]，存在α、β、γ、δ几个相，α相是锡溶于纯铜中的置换固溶体，属于面心立方结构。由Cu-Sn相图，它们会形成多种金属件化合物，有Cu5Sn、Cu3Sn、Cu31Sn8等。根据平衡相图，室温下锡在铜中溶解度高达1at％，冶炼的Cu-Sn合金中存在的另一相ε-Cu3Sn含锡量高达25at％；而在500-600°C温度下，Sn在Cu中的固溶极限可达9.1at%。Cu-Sn合金具有较宽的固液两相区，结晶范围宽约(约140-160℃)，凝固后形成许多的缩孔和疏松。故采用传统铸造方法易于形成偏析，合金成分不均匀，尤其在铸件的底面和侧面“锡汗”随吸氢量的增加而增多。研究表明，锡的反偏析实际上是富锡物在树枝晶间的移动，形成的铸造缺陷使得合金的塑性及导电性能较差，从而影响了其在工业生产中的应用?
本文编号：3360998
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/boshibiyelunwen/3360998.html
