本發(fā)明涉及合金材料領(lǐng)域，特別涉及一種銅基合金雙金屬合成新型材料的生產(chǎn)工藝。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧闲枨蟮牟粩嘣黾?，雙金屬復(fù)合材料因其結(jié)合不同金屬優(yōu)點(diǎn)的特性，成為結(jié)構(gòu)與功能復(fù)合材料的重要研究方向。傳統(tǒng)的銅基合金材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和耐腐蝕性，但在高溫和高載荷條件下的機(jī)械性能較差，難以滿足復(fù)雜工況需求。

2、現(xiàn)有的銅基合金與鈦合金雙金屬材料制備工藝多依賴機(jī)械結(jié)合或簡單熔焊，這些方法往往導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度低、界面缺陷多、性能不均勻等問題，限制了材料的廣泛應(yīng)用。特別是界面處的應(yīng)力集中和擴(kuò)散不足是目前工藝中的關(guān)鍵難點(diǎn)。此外，傳統(tǒng)工藝對(duì)結(jié)合區(qū)域的溫度場與成分?jǐn)U散缺乏精準(zhǔn)控制，難以實(shí)現(xiàn)微觀組織和性能的優(yōu)化。

3、針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供了一種銅基合金雙金屬合成新型材料的生產(chǎn)工藝，通過真空熔煉、納米涂層表面處理、液固結(jié)合工藝及梯度退火等技術(shù)，優(yōu)化結(jié)合界面的冶金質(zhì)量和微觀組織。結(jié)合數(shù)學(xué)建模與仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了結(jié)合區(qū)域溫度場和成分?jǐn)U散的精確控制，并通過模塊化工藝設(shè)計(jì)與智能生產(chǎn)控制大幅提升了生產(chǎn)效率和材料性能的穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)以上問題，提供了一種銅基合金雙金屬合成新型材料的生產(chǎn)工藝，以解決現(xiàn)有技術(shù)界面結(jié)合強(qiáng)度不足、界面缺陷與應(yīng)力集中以及溫度場與成分?jǐn)U散控制不足的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：一種銅基合金雙金屬合成新型材料的生產(chǎn)工藝，包括以下步驟：

3、步驟s1，選用銅鎳合金作為基材，添加稀土元素鈰進(jìn)行材料改性；選擇鈦合金作為功能層，通過梯度成分分布設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)合層的應(yīng)力分布；

4、其中在步驟s1中，還包括如下子步驟：

5、s1-1，選用ni含量0.5%–30%的銅鎳合金作為基材，添加0.05%-0.1%的稀土元素鈰，鈰元素通過細(xì)化晶粒和提升表面活性增強(qiáng)合金綜合性能，為后續(xù)結(jié)合工藝提供優(yōu)質(zhì)基材；

6、s1-2，選擇鈦合金作為功能層，采用梯度材料分布設(shè)計(jì)，通過調(diào)控結(jié)合層的成分分布，降低結(jié)合層應(yīng)力集中提高結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合層成分分布優(yōu)化，具體如式所示：其中，為結(jié)合區(qū)域某位置的成分，為基材成分含量，為功能層成分含量，為結(jié)合層厚度，為梯度變化指數(shù)；使用材料仿真軟件ansys模擬梯度結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性。

7、步驟s2，利用真空感應(yīng)熔煉制備高純度銅鎳合金液體，采用三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)固定芯棒，并在控制溫度和流速的條件下進(jìn)行澆注，形成聯(lián)生結(jié)晶；

8、其中在步驟s2中，還包括如下子步驟：s2-1，采用真空感應(yīng)熔煉工藝制備銅鎳合金液體，熔煉環(huán)境控制在10?2pa以下，防止氧化物生成；加熱溫度設(shè)定為1100-1150℃，即銅鎳合金液相線以上100℃；引入實(shí)時(shí)溫控系統(tǒng)，通過高精度溫度傳感器控制溫度波動(dòng)范圍在±5℃；使用光譜分析儀對(duì)熔體成分進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，確保合金成分均勻性；在熔煉過程中通入惰性氣體攪拌熔體，去除氣體夾雜和氧化物，提高熔體純凈度；

9、s2-2，采用三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，即兩端和中部，對(duì)芯棒進(jìn)行固定，通過高精度測(cè)量儀器調(diào)整芯棒位置，確保誤差控制在±0.1mm內(nèi)，在模具固定結(jié)構(gòu)中加入熱膨脹補(bǔ)償裝置，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)芯棒與模具的間隙，防止熱膨脹引起的應(yīng)力集中，通過以下公式優(yōu)化支撐點(diǎn)分布，具體如式所示：其中，為芯棒位移量，為澆注過程中產(chǎn)生的沖擊力，為支撐剛度，為當(dāng)前模具溫度，為模具臨界溫度；芯棒與模具接觸面涂覆薄層陶瓷隔熱涂層，減少熱量直接傳遞至模具；

10、s2-3，銅液溫度加熱至液相線以上100℃，范圍在1100-1150℃，使液體能夠?qū)π景舯砻孢M(jìn)行充分加熱，達(dá)到液固兩相區(qū)溫度，采用實(shí)時(shí)溫控系統(tǒng)，將澆注溫度波動(dòng)范圍控制在±5℃以內(nèi)；

11、澆注過程中澆注速度控制在1.5-2.5?m/s，避免液體對(duì)芯棒產(chǎn)生過大沖擊，澆注角度保持在30°-45°，保證銅液均勻覆蓋芯棒表面，通過傳感器監(jiān)控流速，調(diào)整為穩(wěn)定的流量優(yōu)化澆注均勻性；利用液固結(jié)合區(qū)域的高溫條件，在芯棒表面形成聯(lián)生結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合；通過冷卻速率控制，優(yōu)化聯(lián)生結(jié)晶形態(tài)，冷卻速率設(shè)定為5-10℃/min，防止裂紋或應(yīng)力集中；在澆注前，將銅液加熱至液相線溫度以上100℃，使用以下公式確定最佳澆注溫度范圍，具體如式所示：

12、其中，為最佳澆注溫度，為銅液液相線溫度，為溫度補(bǔ)償值；通過流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銅液流速，具體如式所示：

13、其中，為流量，為澆注口截面積，為液體流速。

14、步驟s3，采用噴砂工藝清潔基材表面去除氧化物并優(yōu)化粗糙度；利用pvd技術(shù)涂覆cu-ti納米涂層，形成納米級(jí)凸凹結(jié)構(gòu)增強(qiáng)界面結(jié)合質(zhì)量；

15、其中在步驟s3中，還包括如下子步驟：

16、s3-1，采用噴砂工藝對(duì)銅鎳合金基材表面進(jìn)行清潔，去除氧化層和表面雜質(zhì)，通過增加表面微觀粗糙度增強(qiáng)液固結(jié)合時(shí)的冶金結(jié)合強(qiáng)度；

17、選用環(huán)保陶瓷砂，粒徑為50-100μm，噴射速度控制在30m/s，噴射角度保持在45°，噴砂時(shí)間為5-10秒，通過優(yōu)化噴砂參數(shù)將表面粗糙度控制在0.2-0.5μm，提高液固結(jié)合的有效接觸面積，使用以下優(yōu)化公式調(diào)節(jié)噴射速度和角度，具體如式所示：其中，為沖擊能量，為噴射粒子的質(zhì)量，為噴射速度，為噴射角度；噴砂處理后，立即對(duì)金屬表面進(jìn)行保護(hù)性處理，如惰性氣體覆蓋，防止二次氧化；

18、s3-2，使用物理氣相沉積（pvd）技術(shù)，在基材表面均勻涂覆cu-ti合金層，涂層厚度控制在2-5μm，涂層中cu和ti的比例為80：20，優(yōu)化涂層成分分布，具體如式所示：

19、其中，為原子擴(kuò)散通量，為擴(kuò)散系數(shù)，為涂層界面化學(xué)成分的濃度梯度；通過調(diào)整沉積速率，涂層表面形成納米級(jí)凸凹結(jié)構(gòu)，顆粒直徑為20-50nm，增強(qiáng)結(jié)合區(qū)域的實(shí)際接觸面積，表面粗糙度優(yōu)化為0.3-0.4μm，涂覆后的芯棒在惰性氣體環(huán)境中儲(chǔ)存，防止涂層氧化和污染。

20、步驟s4，構(gòu)建溫度場和成分?jǐn)U散場的數(shù)學(xué)模型，利用matlab進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化結(jié)合區(qū)域的溫度分布和擴(kuò)散行為；

21、其中在步驟s4中，還包括如下子步驟：

22、s4-1，構(gòu)建溫度場和成分?jǐn)U散場的數(shù)學(xué)模型，為仿真計(jì)算提供基礎(chǔ)，基于傅里葉熱傳導(dǎo)方程建立溫度場模型，具體如式所示：

23、其中，為材料導(dǎo)熱系數(shù)，為內(nèi)部熱源項(xiàng)，為材料密度，為比熱容，為溫度，為半徑，為時(shí)間；基于fick第二定律模擬成分?jǐn)U散場，具體如式所示：其中，為成分濃度，為擴(kuò)散系數(shù)，隨溫度變化；將計(jì)算區(qū)域劃分為三部分：芯棒區(qū)域，固態(tài)金屬內(nèi)部熱傳遞；銅液區(qū)域，液態(tài)金屬的對(duì)流與熱傳導(dǎo)；界面區(qū)域，結(jié)合層的液固兩相區(qū)；

24、在各區(qū)域設(shè)置初始條件與邊界條件：初始條件，澆注時(shí)銅液溫度為設(shè)定值，芯棒溫度為環(huán)境溫度；邊界條件，芯棒表面與銅液接觸區(qū)域考慮換熱系數(shù)，邊界公式具體如式所示：

25、其中，為換熱系數(shù)，為環(huán)境溫度；

26、s4-2，使用matlab對(duì)液固結(jié)合區(qū)域的溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，采用有限差分法離散傅里葉熱傳導(dǎo)方程，輸入銅鎳合金和鈦合金的熱物性參數(shù)，包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度使用matlab進(jìn)行溫度場數(shù)值模擬，結(jié)合有限差分法離散溫度場方程，具體如式所示：

27、其中，第n+1時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)溫度，為第n時(shí)刻的溫度，為時(shí)間步長，為空間步長；利用fick第二定律模擬結(jié)合層中cu和ti元素的擴(kuò)散行為，計(jì)算結(jié)合層的成分梯度，可視化擴(kuò)散深度分布，具體如式所示：其中，為成分梯度，為元素濃度變化，為對(duì)應(yīng)的距離；將溫度場仿真結(jié)果與成分?jǐn)U散場進(jìn)行耦合，模擬結(jié)合區(qū)域的微觀組織演變，結(jié)合區(qū)域的成分梯度和結(jié)晶行為通過耦合分析優(yōu)化，使用matlab生成結(jié)合區(qū)域的溫度分布圖和成分濃度梯度圖，結(jié)果包括結(jié)合層溫度變化曲線和擴(kuò)散深度分布圖。

28、步驟s5，通過梯度控溫退火處理，消除殘余應(yīng)力并促進(jìn)擴(kuò)散；結(jié)合剪切強(qiáng)度和顯微硬度測(cè)試評(píng)估結(jié)合性能，使用顯微技術(shù)觀察結(jié)合區(qū)域的微觀組織；

29、其中在步驟s5中，還包括如下子步驟：

30、s5-1，結(jié)合區(qū)域的退火溫度設(shè)定為800℃，保溫時(shí)間在800℃下保溫6小時(shí)，升溫速率控制在10℃/min，避免過快升溫引起應(yīng)力集中，降溫速率設(shè)定為5℃/min，采用分階段冷卻以逐步釋放殘余應(yīng)力；

31、將結(jié)合區(qū)域劃分為核心結(jié)合層、過渡區(qū)和基材區(qū)域，分別設(shè)置不同的控溫梯度：核心結(jié)合層800℃，過渡區(qū)750-770℃，基材區(qū)域700-750℃；控溫公式具體如式所示：

32、其中，為距離核心結(jié)合層位置的溫度，為核心結(jié)合層溫度，為溫度梯度，為結(jié)合區(qū)域的總厚度；

33、s5-2，使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)合層的剪切強(qiáng)度，按照astme8標(biāo)準(zhǔn):將復(fù)合材料制成測(cè)試樣品，以恒定速率加載記錄最大剪切強(qiáng)度，通過統(tǒng)計(jì)多次測(cè)試結(jié)果計(jì)算結(jié)合層的平均剪切強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)偏差；

34、使用維氏顯微硬度計(jì)，在結(jié)合區(qū)域選取多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)結(jié)合層核心區(qū)域、過渡區(qū)和主體材料分別測(cè)試硬度，記錄各區(qū)域硬度分布情況，硬度梯度公式，具體如式所示：

35、其中，為結(jié)合層位置的硬度，為結(jié)合層核心硬度，為主體材料硬度，為結(jié)合層厚度；將測(cè)試數(shù)據(jù)與s4階段仿真計(jì)算的溫度場和擴(kuò)散場結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析誤差來源，通過誤差反饋優(yōu)化工藝參數(shù)，確保實(shí)際性能符合設(shè)計(jì)要求；通過剪切強(qiáng)度測(cè)試后的斷口觀察，結(jié)合掃描電子顯微鏡分析結(jié)合區(qū)域的失效模式，即韌性斷裂或界面分離；

36、s5-3，對(duì)結(jié)合區(qū)域取樣，采用機(jī)械研磨和電解拋光工藝，確保試樣表面光潔度滿足顯微觀察要求，根據(jù)材料成分，選用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)浸蝕劑以清晰顯示結(jié)合層的組織特征；

37、使用光學(xué)金相顯微鏡觀察結(jié)合區(qū)域的宏觀組織，包括晶粒形態(tài)和界面形貌，分析結(jié)合層和過渡區(qū)的組織均勻性以及是否存在宏觀缺陷，包括孔隙和夾雜；

38、觀察結(jié)合層的微觀組織，包括晶界特征、結(jié)合線形態(tài)及缺陷分布，結(jié)合能譜分析獲取結(jié)合區(qū)域的元素分布及成分濃度梯度，具體如式所示：其中，為成分梯度，為元素濃度變化，為對(duì)應(yīng)的距離。

39、步驟s6，基于模塊化設(shè)計(jì)劃分生產(chǎn)流程，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與優(yōu)化；

40、其中在步驟s6中，還包括如下子步驟：

41、s6-1，模塊化工藝設(shè)計(jì)，根據(jù)生產(chǎn)工藝的功能需求，將工藝劃分為以下模塊：熔煉模塊，包括銅合金的熔煉及溫控設(shè)備；表面處理模塊，負(fù)責(zé)芯棒表面的清潔和涂層處理；結(jié)合模塊，控制液固結(jié)合過程中的溫度、流速及環(huán)境條件；后處理模塊，包含退火處理和性能檢測(cè)環(huán)節(jié)；

42、通過參數(shù)傳遞優(yōu)化模塊之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，如熔煉模塊的溫度精度直接影響結(jié)合模塊的澆注溫度范圍，表面處理模塊的粗糙度參數(shù)與結(jié)合模塊的冶金結(jié)合強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)，具體如式所示：

43、其中，為結(jié)合強(qiáng)度，為熔煉溫度，為表面粗糙度;

44、s6-2，在生產(chǎn)線關(guān)鍵環(huán)節(jié)安裝高精度傳感器，具體如下：

45、溫度傳感器，監(jiān)測(cè)熔煉模塊和結(jié)合模塊的溫度變化；流速傳感器，監(jiān)測(cè)澆注過程中的液體流速；應(yīng)力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)合區(qū)域的熱應(yīng)力分布；

46、數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)置為1秒/次，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳至中央控制系統(tǒng)，建立實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)控面板，展示生產(chǎn)過程中的溫度場、流速分布和應(yīng)力狀態(tài)；引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并預(yù)測(cè)參數(shù)變化趨勢(shì)，調(diào)整工藝參數(shù)，具體如式所示：其中，為優(yōu)化后的參數(shù)，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)，為目標(biāo)參數(shù)。

47、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

48、本發(fā)明通過液固結(jié)合工藝和聯(lián)生結(jié)晶機(jī)制，實(shí)現(xiàn)銅基合金與鈦合金的冶金結(jié)合，顯著提高界面結(jié)合強(qiáng)度；采用納米涂層設(shè)計(jì)和表面粗糙度優(yōu)化，增強(qiáng)界面結(jié)合質(zhì)量。

49、本發(fā)明通過數(shù)學(xué)建模和仿真分析，精準(zhǔn)控制結(jié)合區(qū)域的溫度場分布和成分?jǐn)U散梯度，避免傳統(tǒng)工藝中因溫度波動(dòng)導(dǎo)致的裂紋、孔隙缺陷；梯度成分分布設(shè)計(jì)有效降低界面應(yīng)力集中，結(jié)合區(qū)域微觀組織更加均勻，材料性能更加穩(wěn)定。

50、本發(fā)明通過噴砂清潔與cu-ti納米涂層設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)結(jié)合工藝中因氧化物和雜質(zhì)導(dǎo)致的界面結(jié)合不良問題；梯度退火處理消除了結(jié)合區(qū)域的殘余應(yīng)力，進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)合層的可靠性。

51、本發(fā)明通過模塊化工藝設(shè)計(jì)，將生產(chǎn)流程分為熔煉、表面處理、結(jié)合和后處理獨(dú)立模塊，實(shí)現(xiàn)工藝快速調(diào)整與靈活組合；結(jié)合智能化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，減少廢品率。