超高塑性CuSnGa合金及其制备方法

技术领域

本发明属于高性能铜合金材料技术领域，涉及超高塑性CuSnGa合金。

本发明还涉及超高塑性CuSnGa合金的制备方法。

背景技术

Nb

发明内容

本发明的目的是提供超高塑性CuSnGa合金，解决现有定向凝固制备的铜锡合金Sn含量低、塑性差、偏析严重的问题。

本发明的另一个目的是提供超高塑性CuSnGa合金的制备方法，具备的超高塑性的CuSnGa合金具备合金晶粒尺寸均匀、高Sn含量、超高塑性的特点。

本发明所采用的第一个技术方案是，超高塑性CuSnGa合金，CuSnGa合金包括Cu82.0～84.0wt.％、Sn15.0wt.％和Ga1.0～3.0wt.％。

本发明所采用的第二个技术方案是，超高塑性CuSnGa合金的制备方法，采用超高塑性CuSnGa合金，具体按以下步骤实施：

步骤1，制备不同Ga含量的Sn-Ga中间合金；

步骤2，按质量百分数称取Cu和Sn-Ga合金，进行预处理；

步骤3，将步骤2中的所得材料装入定向凝固炉中；

步骤4，对定向凝固炉中进行抽真空处理；

步骤5，开始熔炼，最后拉拔冷却，得到定向凝固后的CuSnGa合金铸锭。

本发明第二个技术方案的特点还在于：

其中步骤1中不同Ga含量的Sn-Ga中间合金具体为Ga/Sn含量比为1/15的SnGa6合金、Ga/Sn含量比为2/15的SnGa12合金和Ga/Sn含量比为3/15的SnGa17合金；

其中步骤2中预处理过程具体为：将称取的Cu块和Sn-Ga合金锯成块体，然后去除各原材料表面的氧化膜，随后将表面处理过的原材料放入烧杯中，在烧杯内加入乙醇溶液进行超声波清洗液，清洗45～65min，取出漂洗干净后烘干；

其中步骤3具体为：将步骤2得到的材料按照Cu、Sn-Ga各组元密度差依次装入镁砂坩埚中，将镁砂坩埚放置于定向凝固炉上方的感应加热线圈中，调整定向凝固炉内的浇筑漏斗与保温区石墨坩埚的位置，关闭炉门并检查气密性是否良好；

其中石墨坩埚位置调整具体为：调整石墨坩埚浇注位置与高度，使石墨坩埚与感应加热线圈在同一水平位置，用含有酒精的棉纱将炉门与炉体接触处擦拭干净，然后再关闭炉门；

其中步骤4中抽真空的过程具体为：

使用真空泵、罗茨泵将定向凝固炉内真空度抽至8.0×10

其中步骤5中定向凝固炉内熔炼温度为1080～1200℃；

其中步骤5中具体过程为：

熔炼至金属熔化后，将熔融金属液倾倒至保温区石墨坩埚中，保温3～5min后开始拉拔，当样品离开保温区60～80mm时，按下快淬键，将合金快速拉入冷却介质为液态Ga-In-Sn合金的结晶罐中进行冷却，待到炉体内温度降至室温，得到定向凝固后的CuSnGa合金铸锭；

其中拉拔速度为100～300μm/s。

本发明的有益效果是：

本发明采用定向凝固并添加少量Ga元素的方法，控制合金晶粒的生长取向的同时，生成新的化合物Cu

附图说明

图1是本发明实施例1中Cu-15Sn-1Ga合金的显微组织图；

图2是本发明实施例2中Cu-15Sn-2Ga合金的能谱结果；

图3是本发明实施例1中Cu-15Sn-1Ga合金的应力应变曲线以及现有定向凝固制备Cu-15Sn-0.3Ti合金的应力应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了超高塑性CuSnGa合金，提出向CuSn合金添加Ga元素，采用向Cu中添加不同Ga含量Sn-Ga中间合金的方法，通过合金化的方式加入Ga元素，生成新相Cu

本发明的超高塑性CuSnGa合金，按质量百分比包括Cu82.0～84.0wt.％、Sn15.0wt.％和Ga1.0～3.0wt.％。

本发明还提供了超高塑性CuSnGa合金的制备方法，通过向CuSn合金中添加微量Ga元素，改善合金铸态及固溶态组织，凝固过程中Ga元素在合金中固溶并生成新的化合物Cu

由于Ga元素熔点较低，通过制备不同Ga含量的Sn-Ga合金，可以防止在熔炼过程中Ga的严重挥发，同时使合金中的Ga元素分布更为均匀；能谱结果显示Ga元素以Cu

Cu、Sn是CuSn合金的重要成分，Cu作为CuSn合金的基体材料含量占比最多，本发明中Cu占比为82.0～84.0％之间，CuSn合金Sn的含量选取15.0％，是因为既要达到高的Sn含量，又要防止合金中因Sn含量过高而导致Sn元素析出，影响合金的强度、塑性等；Ga元素作为掺杂元素，添加到CuSn合金中生成新的化合物Cu

具体按以下步骤实施：

步骤1，制备中间合金Sn-Ga合金，所用Sn-Ga合金分别为：Ga/Sn含量比为1/15的SnGa6合金、Ga/Sn含量比为2/15的SnGa12合金和Ga/Sn含量比为3/15的SnGa17合金；由于Ga元素熔点较低，为了防止在熔炼过程中Ga的严重挥发，故制备不同Ga含量的Sn-Ga中间合金，防止挥发严重的同时使合金中的Ga元素分布更为均匀；

步骤2，按质量百分数称取Cu和Sn-Ga合金，将称取好的Cu块和Sn-Ga合金锯成大小适中的块体，去除材料表面的氧化膜，随后将表面处理过的原材料放入烧杯中，在烧杯内加入适量的乙醇溶液进行超声波清洗液，在超声波清洗器中清洗45～65min，取出漂洗干净后烘干；

步骤3，将步骤2中的所得材料按照Cu、Sn-Ga各组元密度差依次装入准备好的镁砂坩埚中，调整感应线圈、浇铸漏斗、下方保温区石墨坩埚的位置，使得石墨坩埚与感应线圈在同一水平位置，用含有酒精的棉纱将炉门与炉体接触处擦拭干净，关闭炉门并检查气密性是否良好；

步骤4，使用真空泵、罗茨泵将真空度抽至8.0×10

步骤5，打开加热开关开始加热，熔炼温度为1080～1200℃，熔炼过程中通过摇炉使合金液均匀，待金属熔化后，将熔融金属液倾倒至下方的石墨坩埚中，保温3～5min后开始拉拔，拉拔速度为100～300μm/s，当样品离开保温区60～80mm时，按下快淬键，将合金快速拉入冷却介质为液态Ga-In-Sn合金的结晶罐中进行冷却，待到炉体内温度降至室温，得到定向凝固后的CuSnGa合金铸锭。

与定向凝固制备的CuSnTi合金相比，本发明制备的超高塑性CuSnGa合金组织更为均匀，晶粒生长方向一致；对比CuSnTi合金与CuSnGa合金的应力应变曲线，CuSnGa合金的强度提高了100MPa，伸长率达到99.38％，相比CuSnTi合金提高了40％。

实施例1

原材料的前期准备：制备SnGa6中间合金，称取Cu84wt.％，SnGa6合金16wt.％，使用400#砂纸将Cu块表面的氧化皮打磨干净，随后将表面处理过的Cu块和SnGa6合金放入烧杯中，在烧杯内加入适量的无水乙醇或超声波清洗液，在超声波清洗器中清洗45min，取出漂洗干净后烘干；

将备好的材料按照Cu、SnGa6各组元密度差异依次装入镁砂坩埚中，将镁砂坩埚放入定向凝固炉中，调整圆柱石墨坩埚浇注位置与高度，用含有酒精的棉纱将炉门与炉体接触处擦拭干净，确保关紧炉门，并检查气密性是否良好；

使用真空泵、罗茨泵将真空度抽至8.0×10

拉拔结束后，待炉体和试样冷却至室温，即可得到Cu-15Sn-1Ga合金；如图1所示，为Cu-15Sn-1Ga合金显微组织图；图3是Cu-15Sn-1Ga合金和现有定向凝固制备Cu-15Sn-0.3Ti合金的应力应变曲线图。

实施例2

原材料的前期准备：制备SnGa12中间合金，称取Cu 83wt.％，SnGa12合金17wt.％，使用400#砂纸将Cu块表面的氧化皮打磨干净，随后将表面处理过的Cu块和SnGa12合金放入烧杯中，在烧杯内加入适量的无水乙醇或超声波清洗液，在超声波清洗器中清洗45min，取出漂洗干净后烘干；

将备好的材料按照Cu、SnGa12各组元密度差异依次装入镁砂坩埚中，将镁砂坩埚放入定向凝固炉中，调整圆柱石墨坩埚浇注位置与高度，用含有酒精的棉纱将炉门与炉体接触处擦拭干净，确保关紧炉门，并检查气密性是否良好；

使用真空泵、罗茨泵将真空度抽至8.0×10

拉拔结束后，待炉体和试样冷却至室温，即可得到Cu-15Sn-2Ga合金。如图2所示，为Cu-15Sn-2Ga合金的能谱结果图。

实施例3

原材料的前期准备：制备SnGa17中间合金，称取Cu 82wt.％，SnGa17合金18wt.％，使用400#砂纸将Cu块表面的氧化皮打磨干净，随后将表面处理过的Cu块和SnGa17合金放入烧杯中，在烧杯内加入适量的无水乙醇或超声波清洗液，在超声波清洗器中清洗45min，取出漂洗干净后烘干；

将备好的材料按照Cu、SnGa17各组元密度差异依次装入镁砂坩埚中，将镁砂坩埚放入定向凝固炉中，调整圆柱石墨坩埚浇注位置与高度，用含有酒精的棉纱将炉门与炉体接触处擦拭干净，确保关紧炉门，并检查气密性是否良好；

使用真空泵、罗茨泵将真空度抽至8.0×10