本發明涉及合金材料領域，特別涉及一種銅基合金雙金屬合成新型材料的生產工藝。

背景技術：

1、隨著工業領域對高性能材料需求的不斷增加，雙金屬復合材料因其結合不同金屬優點的特性，成為結構與功能復合材料的重要研究方向。傳統的銅基合金材料具有優異的導電性和耐腐蝕性，但在高溫和高載荷條件下的機械性能較差，難以滿足復雜工況需求。

2、現有的銅基合金與鈦合金雙金屬材料制備工藝多依賴機械結合或簡單熔焊，這些方法往往導致結合強度低、界面缺陷多、性能不均勻等問題，限制了材料的廣泛應用。特別是界面處的應力集中和擴散不足是目前工藝中的關鍵難點。此外，傳統工藝對結合區域的溫度場與成分擴散缺乏精準控制，難以實現微觀組織和性能的優化。

3、針對上述問題，本發明提供了一種銅基合金雙金屬合成新型材料的生產工藝，通過真空熔煉、納米涂層表面處理、液固結合工藝及梯度退火等技術，優化結合界面的冶金質量和微觀組織。結合數學建模與仿真優化，實現了結合區域溫度場和成分擴散的精確控制，并通過模塊化工藝設計與智能生產控制大幅提升了生產效率和材料性能的穩定性。

技術實現思路

1、本發明針對以上問題，提供了一種銅基合金雙金屬合成新型材料的生產工藝，以解決現有技術界面結合強度不足、界面缺陷與應力集中以及溫度場與成分擴散控制不足的問題。

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

3、步驟s1，選用銅鎳合金作為基材，添加稀土元素鈰進行材料改性；選擇鈦合金作為功能層，通過梯度成分分布設計優化結合層的應力分布；

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，鈰元素通過細化晶粒和提升表面活性增強合金綜合性能，為后續結合工藝提供優質基材；

6、s1-2，選擇鈦合金作為功能層，采用梯度材料分布設計，通過調控結合層的成分分布，降低結合層應力集中提高結合強度，結合層成分分布優化，具體如式所示：其中，為結合區域某位置的成分，為基材成分含量，為功能層成分含量，為結合層厚度，為梯度變化指數；使用材料仿真軟件ansys模擬梯度結構的應力分布，驗證設計的可靠性。

7、步驟s2，利用真空感應熔煉制備高純度銅鎳合金液體，采用三點支撐結構固定芯棒，并在控制溫度和流速的條件下進行澆注，形成聯生結晶；

8、其中在步驟s2中，還包括如下子步驟：s2-1，采用真空感應熔煉工藝制備銅鎳合金液體，熔煉環境控制在10?2pa以下，防止氧化物生成；加熱溫度設定為1100-1150℃，即銅鎳合金液相線以上100℃；引入實時溫控系統，通過高精度溫度傳感器控制溫度波動范圍在±5℃；使用光譜分析儀對熔體成分進行動態檢測，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，采用三點支撐結構，即兩端和中部，對芯棒進行固定，通過高精度測量儀器調整芯棒位置，確保誤差控制在±0.1mm內，在模具固定結構中加入熱膨脹補償裝置，動態調節芯棒與模具的間隙，防止熱膨脹引起的應力集中，通過以下公式優化支撐點分布，具體如式所示：其中，為芯棒位移量，為澆注過程中產生的沖擊力，為支撐剛度，為當前模具溫度，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℃，使液體能夠對芯棒表面進行充分加熱，達到液固兩相區溫度，采用實時溫控系統，將澆注溫度波動范圍控制在±5℃以內；

11、澆注過程中澆注速度控制在1.5-2.5?m/s，避免液體對芯棒產生過大沖擊，澆注角度保持在30°-45°，保證銅液均勻覆蓋芯棒表面，通過傳感器監控流速，調整為穩定的流量優化澆注均勻性；利用液固結合區域的高溫條件，在芯棒表面形成聯生結晶，實現冶金結合；通過冷卻速率控制，優化聯生結晶形態，冷卻速率設定為5-10℃/min，防止裂紋或應力集中；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，為溫度補償值；通過流量傳感器實時監測銅液流速，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化粗糙度；利用pvd技術涂覆cu-ti納米涂層，形成納米級凸凹結構增強界面結合質量；

15、其中在步驟s3中，還包括如下子步驟：

16、s3-1，采用噴砂工藝對銅鎳合金基材表面進行清潔，去除氧化層和表面雜質，通過增加表面微觀粗糙度增強液固結合時的冶金結合強度；

17、選用環保陶瓷砂，粒徑為50-100μm，噴射速度控制在30m/s，噴射角度保持在45°，噴砂時間為5-10秒，通過優化噴砂參數將表面粗糙度控制在0.2-0.5μm，提高液固結合的有效接觸面積，使用以下優化公式調節噴射速度和角度，具體如式所示：其中，為沖擊能量，為噴射粒子的質量，為噴射速度，為噴射角度；噴砂處理后，立即對金屬表面進行保護性處理，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，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，優化涂層成分分布，具體如式所示：

19、其中，為原子擴散通量，為擴散系數，為涂層界面化學成分的濃度梯度；通過調整沉積速率，涂層表面形成納米級凸凹結構，顆粒直徑為20-50nm，增強結合區域的實際接觸面積，表面粗糙度優化為0.3-0.4μm，涂覆后的芯棒在惰性氣體環境中儲存，防止涂層氧化和污染。

20、步驟s4，構建溫度場和成分擴散場的數學模型，利用matlab進行仿真分析，優化結合區域的溫度分布和擴散行為；

21、其中在步驟s4中，還包括如下子步驟：

22、s4-1，構建溫度場和成分擴散場的數學模型，為仿真計算提供基礎，基于傅里葉熱傳導方程建立溫度場模型，具體如式所示：

23、其中，為材料導熱系數，為內部熱源項，為材料密度，為比熱容，為溫度，為半徑，為時間；基于fick第二定律模擬成分擴散場，具體如式所示：其中，為成分濃度，為擴散系數，隨溫度變化；將計算區域劃分為三部分：芯棒區域，固態金屬內部熱傳遞；銅液區域，液態金屬的對流與熱傳導；界面區域，結合層的液固兩相區；

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

25、其中，為換熱系數，為環境溫度；

26、s4-2，使用matlab對液固結合區域的溫度場進行數值模擬，采用有限差分法離散傅里葉熱傳導方程，輸入銅鎳合金和鈦合金的熱物性參數，包括導熱系數、比熱容、密度使用matlab進行溫度場數值模擬，結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時刻的節點溫度，為第n時刻的溫度，為時間步長，為空間步長；利用fick第二定律模擬結合層中cu和ti元素的擴散行為，計算結合層的成分梯度，可視化擴散深度分布，具體如式所示：其中，為成分梯度，為元素濃度變化，為對應的距離；將溫度場仿真結果與成分擴散場進行耦合，模擬結合區域的微觀組織演變，結合區域的成分梯度和結晶行為通過耦合分析優化，使用matlab生成結合區域的溫度分布圖和成分濃度梯度圖，結果包括結合層溫度變化曲線和擴散深度分布圖。

28、步驟s5，通過梯度控溫退火處理，消除殘余應力并促進擴散；結合剪切強度和顯微硬度測試評估結合性能，使用顯微技術觀察結合區域的微觀組織；

29、其中在步驟s5中，還包括如下子步驟：

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

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

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

33、s5-2，使用電子萬能試驗機測量結合層的剪切強度，按照astme8標準:將復合材料制成測試樣品，以恒定速率加載記錄最大剪切強度，通過統計多次測試結果計算結合層的平均剪切強度及標準偏差；

34、使用維氏顯微硬度計，在結合區域選取多個測試點，對結合層核心區域、過渡區和主體材料分別測試硬度，記錄各區域硬度分布情況，硬度梯度公式，具體如式所示：

35、其中，為結合層位置的硬度，為結合層核心硬度，為主體材料硬度，為結合層厚度；將測試數據與s4階段仿真計算的溫度場和擴散場結果進行對比，分析誤差來源，通過誤差反饋優化工藝參數，確保實際性能符合設計要求；通過剪切強度測試后的斷口觀察，結合掃描電子顯微鏡分析結合區域的失效模式，即韌性斷裂或界面分離；

36、s5-3，對結合區域取樣，采用機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，根據材料成分，選用適當的化學浸蝕劑以清晰顯示結合層的組織特征；

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

38、觀察結合層的微觀組織，包括晶界特征、結合線形態及缺陷分布，結合能譜分析獲取結合區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，為對應的距離。

39、步驟s6，基于模塊化設計劃分生產流程，結合傳感器網絡和機器學習算法，實現工藝參數的實時監控與優化；

40、其中在步驟s6中，還包括如下子步驟：

41、s6-1，模塊化工藝設計，根據生產工藝的功能需求，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備；表面處理模塊，負責芯棒表面的清潔和涂層處理；結合模塊，控制液固結合過程中的溫度、流速及環境條件；后處理模塊，包含退火處理和性能檢測環節；

42、通過參數傳遞優化模塊之間的聯動關系，如熔煉模塊的溫度精度直接影響結合模塊的澆注溫度范圍，表面處理模塊的粗糙度參數與結合模塊的冶金結合強度相關聯，具體如式所示：

43、其中，為結合強度，為熔煉溫度，為表面粗糙度;

44、s6-2，在生產線關鍵環節安裝高精度傳感器，具體如下：

45、溫度傳感器，監測熔煉模塊和結合模塊的溫度變化；流速傳感器，監測澆注過程中的液體流速；應力傳感器，實時監測結合區域的熱應力分布；

46、數據采樣頻率設置為1秒/次，通過工業物聯網將傳感器采集的數據上傳至中央控制系統，建立實時參數監控面板，展示生產過程中的溫度場、流速分布和應力狀態；引入機器學習算法分析實時數據，并預測參數變化趨勢，調整工藝參數，具體如式所示：其中，為優化后的參數，為實時監測參數，為目標參數。

47、與現有技術相比，本發明的有益效果是：

48、本發明通過液固結合工藝和聯生結晶機制，實現銅基合金與鈦合金的冶金結合，顯著提高界面結合強度；采用納米涂層設計和表面粗糙度優化，增強界面結合質量。

49、本發明通過數學建模和仿真分析，精準控制結合區域的溫度場分布和成分擴散梯度，避免傳統工藝中因溫度波動導致的裂紋、孔隙缺陷；梯度成分分布設計有效降低界面應力集中，結合區域微觀組織更加均勻，材料性能更加穩定。

50、本發明通過噴砂清潔與cu-ti納米涂層設計，解決了傳統結合工藝中因氧化物和雜質導致的界面結合不良問題；梯度退火處理消除了結合區域的殘余應力，進一步增強結合層的可靠性。

51、本發明通過模塊化工藝設計，將生產流程分為熔煉、表面處理、結合和后處理獨立模塊，實現工藝快速調整與靈活組合；結合智能化生產控制系統，實現對關鍵參數的實時監控和動態優化，減少廢品率。