本發(fā)明屬于計算機輔助設計，尤其是涉及一種添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法。

背景技術：

1、高強高導銅合金是我國重點發(fā)展的高新技術領域，國家牌號b10型cu-ni合金具有高彈高導的特點，被廣泛用于海上作業(yè)環(huán)境，但其整體硬度和強度不足，單一的cu-ni合金無法應對復雜多變的環(huán)境需求。al元素在銅中的固溶度很大，可達到9.4wt％，與銅形成連續(xù)的固溶體，具有寬闊的單相區(qū)，能夠顯著的提高銅的力學性能，以適應日益多變的環(huán)境需求。

2、傳統(tǒng)的銅鎳合金考慮加入be元素以提高其力學性能，但由于be毒害性較大，且造價昂貴，選擇造價較為便宜的且無毒無害的al作為添加元素，與銅形成連續(xù)的固溶體，具有寬闊的單相區(qū)，以提高銅合金的力學性能。目前，傳統(tǒng)設計方法對al的添加量不能準確定量，過去的經(jīng)驗都是通過摻雜、隨意添加所得出的配比，其性能不穩(wěn)定；同時在工業(yè)生產(chǎn)中，銅和鎳的價格也是比較高的，性能不穩(wěn)定就會造成大量浪費。目前公開的文獻對于鋁的添加量都是以猜測為主，然后添加，等成品出來之后，再去做性能檢測和判斷。這個過程中需要大量不斷的試錯和試驗，其造價相對來說也比較高。

3、同時由于銅鎳熔點較高，鋁元素熔點則相對較低，因此al添加到cu-ni合金中不容易熔煉，熔煉過程的鑄造缺陷會明顯影響最終產(chǎn)品的性能，導致采用al添加提升cu-ni合金的開發(fā)方法存在效率低、成本高、準確率低的問題。因此，目前對al添加提升cu-ni合金的研究文獻較少。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，該方法能有效快捷的確定添加al的銅鎳合金的配比，減少研發(fā)周期和成本，提高添加al的銅鎳合金力學性能。

2、本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是，一種添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，包括以下步驟：

3、步驟s1，建立cu-ni-al體系熱力學數(shù)據(jù)庫；

4、步驟s2，建立好數(shù)據(jù)庫之后對其一定鎳含量下的平衡關系進行描述，獲得一定鎳含量下的平衡關系相圖，對合金中存在的兩種有序相的要求進行成分設計，確定cu和al在合金中的含量；

5、步驟s3，采用步驟s1建立好的cu-ni-al體系熱力學數(shù)據(jù)庫和步驟s2構建的合金平衡關系相圖，計算不同al添加量下合金不同相的相分數(shù)變化情況；對各元素在合金中的含量進行驗證；

6、步驟s4，實驗驗證：根據(jù)步驟s3獲得的各元素在合金中的含量，對合金進行熔煉并澆注，對鑄態(tài)合金進行性能測試和分析，通過實驗驗證得到的結果；

7、步驟s5，生產(chǎn)合金：根據(jù)實驗驗證后的各元素在合金中的含量及熔煉工藝，以此指導合金生產(chǎn)。

8、進一步，步驟s1中，根據(jù)歷史的cu-ni-al相平衡實驗評估cu-ni-al各個組元的相平衡關系，采用calphad方法建立cu-ni-al體系熱力學數(shù)據(jù)庫。

9、進一步，步驟s2中，鎳含量為9-11wt％。更進一步，鎳含量為10wt％。

10、進一步，步驟s2中，確定cu和al在合金中的添加量分別為合金總質(zhì)量的(85-88)wt％和(2-5)wt％。

11、進一步，步驟s3中，合金重要有序相為ni3al和β-nial相。

12、進一步，步驟s3中，采用步驟s1建立好的cu-ni-al體系熱力學數(shù)據(jù)庫和步驟s2構建的合金平衡關系相圖，建立cu-0.1ni-ωal(0<ω<10％)合金凝固相圖，采用thermo-calc軟件計算不同al的添加量的情況下合金凝固過程中生成有序相的含量變化情況，對各元素在合金中的含量進行驗證。

13、進一步，步驟s4中，用感應熔煉爐對合金進行熔煉并澆注在石墨模具中。更進一步，控制感應熔煉爐熔煉過程中的電流變化，升高溫度至1180-1220℃(優(yōu)選1200℃)，電流320a為峰值，熔煉2-3分鐘后，迅速冷卻降低至270-280a(優(yōu)選275a)時(優(yōu)選1min之內(nèi)冷卻降低至275a)，倒入模具。通過控制這些參數(shù)，可以減少熔煉過程鑄造缺陷的發(fā)生。

14、進一步，步驟s4中，確定各元素的添加重量時，在步驟s3獲得的各元素重量的基礎上，每種元素多添加5％～10％。研究表明，多添加部分各元素的量，結合感應熔煉爐熔煉過程的控制，可以減少其鑄造缺陷的發(fā)生。既不會造成多余的浪費，也不會有鑄造缺陷導致整個產(chǎn)品廢掉。

15、本發(fā)明結合cu-ni-al體系熱力學數(shù)據(jù)庫和相圖，可以準確定量確定al元素區(qū)間，先確定能提高性能，再通過計算不同al添加量下合金不同相的相分數(shù)變化情況，得到一個穩(wěn)定的區(qū)間，確定有序相確實析出是有效的，再通過實驗驗證，最后得到的就是穩(wěn)定的提高方案，減少浪費，節(jié)約成本。

16、通過本發(fā)明確定的添加al的銅鎳合金，能提升銅鎳合金尤其是現(xiàn)有b10合金牌號的力學性能，主要表現(xiàn)在抗拉強度和屈服強度，及彈性模量。本發(fā)明通過計算模擬輔助有序相的優(yōu)化設計，準確定量al添加范圍，確保性能穩(wěn)定。

17、研究表明，步驟s4中，實際稱樣時，每種元素多添加5wt％～10wt％，同時控制感應熔煉爐熔煉過程中的電流變化，升高溫度至1200℃，電流320a為峰值，熔煉2-3分鐘后迅速冷卻降低至275a時，倒入模具，以減少其鑄造缺陷的發(fā)生。

18、本發(fā)明提供的添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，通過建立cu-ni-al體系熱力學數(shù)據(jù)庫，計算cu-ni-al體系在一定鎳含量下的平衡相關系，模擬鑄造過程中cu-ni-al合金不同相的相分數(shù)與al添加量的關系，快速獲得了cu-ni合金中al的最佳添加范圍。這不僅可以有效滿足產(chǎn)品性能和結構的要求，還能大幅提升合金的力學性能，優(yōu)化現(xiàn)有銅鎳合金尤其是b10合金產(chǎn)品的綜合性能。該方法能有效快捷的確定添加al的銅鎳合金的配比，減少研發(fā)周期和成本，提高添加al的銅鎳合金力學性能。能滿足合金性能和結構的要求，大大減少了合金工藝設計的研發(fā)周期和成本，提高工作效率，對新型高性能合金材料的設計和生產(chǎn)具有重要的指導價值。

技術特征：

1.一種添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，其特征在于，步驟s1中，根據(jù)歷史的cu-ni-al相平衡實驗評估cu-ni-al各個組元的相平衡關系，采用calphad方法建立cu-ni-al體系熱力學數(shù)據(jù)庫。

3.根據(jù)權利要求1或2所述的添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，其特征在于，步驟s2中，鎳含量為9-11wt％。

4.根據(jù)權利要求3所述的添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，其特征在于，鎳含量為10wt％。

5.根據(jù)權利要求1或2所述的添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，其特征在于，步驟s2中，確定cu和al在合金中的添加量分別為合金總質(zhì)量的(85-88)wt％和(2-5)wt％。

6.根據(jù)權利要求1或2所述的添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，其特征在于，步驟s3中，合金重要有序相為ni3al和β-nial相。

7.根據(jù)權利要求1或2所述的添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，其特征在于，步驟s3中，采用步驟s1建立好的cu-ni-al體系熱力學數(shù)據(jù)庫和步驟s2構建的合金平衡關系相圖，建立cu-0.1ni-ωal合金凝固相圖，0<ω<10％，采用thermo-calc軟件計算不同al的添加量的情況下合金凝固過程中生成有序相的含量變化情況，對各元素在合金中的含量進行驗證。

8.根據(jù)權利要求1或2所述的添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，其特征在于，步驟s4中，用感應熔煉爐對合金進行熔煉并澆注在石墨模具中。

9.根據(jù)權利要求8所述的添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，其特征在于，控制感應熔煉爐熔煉過程中的電流變化，升高溫度至1180-1220℃，電流320a為峰值，熔煉2-3分鐘后，迅速冷卻降低至270-280a時，倒入模具。

10.根據(jù)權利要求1或2所述的添加al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，其特征在于，步驟s4中，確定各元素的添加重量時，在步驟s3獲得的各元素重量的基礎上，每種元素多添加5％～10％。

技術總結
一種添加Al的銅鎳合金合成工藝用計算機輔助設計的方法，包括以下步驟：步驟S1，建立Cu?Ni?Al體系熱力學數(shù)據(jù)庫；步驟S2，獲得平衡關系相圖，確定Cu和Al在合金中的含量；步驟S3，計算不同Al添加量下合金不同相的相分數(shù)變化情況；對各元素在合金中的含量進行驗證；步驟S4，實驗驗證；步驟S5，根據(jù)實驗驗證后的各元素在合金中的含量及熔煉工藝，以此指導合金生產(chǎn)。本發(fā)明結合Cu?Ni?Al體系熱力學數(shù)據(jù)庫和相圖，可以準確定量確定Al元素區(qū)間，先確定能提高性能，再通過計算不同Al添加量下合金不同相的相分數(shù)變化情況，得到一個穩(wěn)定的區(qū)間，確定有序相確實析出是有效的，再通過實驗驗證，最后得到的就是穩(wěn)定的提高方案，減少浪費，節(jié)約成本。

技術研發(fā)人員：盧照,王語菡,陳澤煒,趙茂密,向晶,黃彩敏,胡海龍,莫興德,鐘嘉瑞
受保護的技術使用者：桂林電子科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/10