納米彌散強化銅合金短流程制備方法及其相關基礎問題研究.pdf

1、本文研究了雙束熔體原位反應-快速凝固法和簡化內氧化法兩種納米彌散強化銅合金短流程制備技術，制備了Cu-TiB2與Cu-Al2O3兩個系列的納米彌散強化銅合金，并對兩種合金的力學性能、電學性能、加工性能以及組織結構演變規(guī)律進行了研究。 利用研究結果對雙束熔體原位反應器進行了理論設計，確定了反應器實驗室原型扁型噴嘴厚度2b0的合理取值范圍(0.5mm<2b0<3.0mm)、噴射角度θ取值范圍(40～60°)以及反應腔體相關尺寸范圍。

2、對Shangguan模型進行外推，研究了凝固界面與前端粒子間相互作用以及熔體中粒子間的相互作用，發(fā)現(xiàn)冷卻速率V只有在滿足VCI

3、2b0=1.0～2.5mm，θ=50°；熔煉溫度：Cu-Ti合金1400～1500℃，Cu-B合金1300～1400℃；送氣壓力：0.2～0.35MPa。在上述研究的基礎上，成功制備了三種濃度Cu-TiB2合金，其綜合性能分別為：Cu-0.45wt％TiB2合金：HV=102，σb=389MPa，σ0.2=330MPa，δ=21％，相對電導率=92％IACS；Cu-1.6wt％TiB2合金：HV=142，σb=456MPa，σ0.2=4

4、15MPa，δ=14％，相對電導率=81％IACS；Cu-2.5wt％TiB2合金：HV=169，σb=542MPa，σ0.2=511MPa，δ=12％，相對電導率=70％IACS。三種濃度合金基體內均彌散分布有大量納米TiB2粒子。 4、利用TEM對Cu-TiB2合金的TiB2粒子尺寸和晶粒尺寸的分布進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)合金基體內尺寸在50～75nm的TiB2粒子頻率最高。隨著合金濃度增加，原位合成的納米粒子體積分數(shù)不斷增加，晶粒

5、尺寸則不斷減小。利用上述統(tǒng)計結果對Cu-TiB2合金強化機制和導電機制進行了研究。結果表明，彌散強化和細晶強化是Cu-TiB2合金的兩種主要強化機制，其中彌散強化的貢獻大于細晶強化的。低濃度Cu-0.45wt％TiB2合金電導率計算值與實測值相差較小，隨著所制備合金濃度的增加，材料的電導率的計算值與實測值相差也逐漸增加。影響Cu-TiB2合金強度及電導率的主要因素是殘余的溶質元素Ti、B以及原位反應合成的TiB2粒子的含量和尺寸等。

6、 5、針對Cu-Al2O3合金傳統(tǒng)內氧化工藝復雜，過程難以控制，產品質量不穩(wěn)定，生產成本高等問題，進行了簡化內氧化工藝研究。簡化的工藝流程如下：Cu-Al母合金熔煉→霧化制粉→與適量氧化劑混合→在預先控制氣氛條件下內氧化并在線進行真空熱壓→熱擠壓成棒材。省去了傳統(tǒng)工藝中內氧化→破碎篩分→還原→破碎篩分→冷等靜壓制坯→真空燒結→包套、抽真空、封口等諸多繁雜工序，大大縮短了生產周期，避免了中間環(huán)節(jié)造成的氧污染，提高了產品質量。利用該簡化

7、工藝制備的兩種典型濃度的Cu-Al2O3彌散強化銅合金在熱擠壓態(tài)性能分別為：Cu-0.23vol％Al2O3合金：HV=85，σb=260MPa，σ0.2=195MPa，δ=30％，相對電導率=96.5％IACS；Cu-2.7vol％Al2O3合金：HV=145，σb=580MPa，σ0.2=521MPa，δ=13％，相對電導率=82％IACS。 6、Cu-Al2O3彌散強化銅合金冷軋過程中會出現(xiàn)加工軟化現(xiàn)象，隨著Al2O3濃度

8、的增加，加工軟化特性不斷減弱。通過TEM觀察建立了位錯與彌散粒子間相互作用模型，認為加工軟化的原因是：在大變形量冷軋過程中異號位錯間發(fā)生湮滅，它使得相鄰位錯胞合并和長大，從而導致合金硬度下降，最終出現(xiàn)加工軟化現(xiàn)象。單向軋制的彌散強化銅合金各向異性顯著，橫向強度均遠低于縱向的，且沿橫向拉伸過程中會出現(xiàn)獨特的應力波動或陡降現(xiàn)象。金相和拉伸斷口研究表明，單向軋制會使彌散強化銅合形成結合界面較弱的纖維組織，它使得橫向拉伸時出現(xiàn)沿纖維界面劈裂現(xiàn)象

9、。纖維組織和沿纖維界面劈裂是Cu-Al2O3合金產生各向異性的根本原因。交叉軋制可有效避免Cu-Al2O3合金各向異性。 7、Cu-Al2O3彌散強化銅合金在室溫沿縱橫兩個不同方向進行壓縮時，隨著應變速率的增加，流變應力均不斷增加，但縱向壓縮流變應力要高于橫向的。利用滑移面和滑移方向旋轉模型以及運動位錯與彌散粒子相互作用模型可較好的解釋這一規(guī)律。Cu-Al2O3合金高溫熱壓縮變形是一個熱激活過程；沿同一方向壓縮時高濃度合金的激活能高于低

10、濃度的，兩種濃度合金沿縱向壓縮的激活能均高于相應合金沿橫向壓縮的。根據(jù)Cu-Al2O3合金高溫壓縮實驗求出的相關材料常數(shù)，建立了峰值屈服應力與應變速率以及溫度之間的本構方程。對于Cu-0.23vol％Al2O3合金，高溫變形本構方程為： 橫向：ε=[sinh(0.0124836σ)]4.39909exp(11.65218-99.848×103/RT)縱向：ε=[sinh(0.0060780σ)]8.8621exp(23.2261

11、1-183.614×103/RT)對于Cu-2.7vol％Al2O3合金，高溫變形本構方程為： 橫向：ε=[sinh(0.0076530σ)]4.2076exp(14.84478-120.59×103/RT)縱向：ε=[sinh(0.0056380σ)]8.52908 exp(26.31261-209.892×103/RT)8.金相組織觀察表明，當合金沿橫向壓縮時，隨著熱壓縮溫度的不斷升高，纖維組織不斷弱化，纖維邊界以及內部出現(xiàn)