高强高导形变Cu-Fe-Ag原位复合材料制备技术基础

【摘要】： 高强高导形变Cu-Fe原位复合材料由于Fe纤维的强化效果好、价格低廉等优点引起各国学者的广泛关注。但Fe在Cu基体中的高温固溶度较大、低温扩散速度慢,同时固溶Fe原子对Cu基体的导电性能危害特别大,达到9.2μ?·cm/wt%Fe,导致冷拔Cu-Fe原位复合材料的电导率通常不足40%IACS。高温长时间热处理可以部分恢复材料的电导率,但材料的强度也迅速降低。因此,调控和优化Cu-Fe原位复合材料的强度和电导率匹配是研究的热点和难点。 本论文研究的总体思路概括为:抑制固溶、促进析出,即通过Ag合金化手段降低高温下Fe在Cu基体中的固溶度,通过研究材料的强度/电导率调控工艺促进固溶Fe的时效析出过程。基于合金元素之间的交互作用分析、第一原理的理论计算和已有相关研究,设计了实验材料成分,并应用“熔铸-冷拔”法制备了三种Cu-Fe-Ag原位复合材料:Cu-14Fe-1Ag、Cu-14Fe-3Ag、Cu-11Fe-6Ag,同时制备了形变Cu-12Fe作为实验对比材料。通过X-射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等结构分析手段和拉伸实验、显微硬度测量、电阻率测量等实验测试手段,系统研究了Ag在母合金凝固、冷变形以及中间热处理过程中的行为规律和作用机制,取得以下主要研究结果: 基于第一原理的理论计算表明,Fe原子和Ag原子在Cu基体中存在竞争溶解,而Ag原子在竞争中占有优势,在由32个Cu原子组成的体系中,置换一个Fe原子和Ag原子后,系统的能量增加分别为760eV和320eV。 在Cu-Fe-Ag母合金凝固过程中,Ag具有抑制高温下Fe在Cu中的溶解、促进γ-Fe从液态Cu中形核、细化γ-Fe枝晶的作用。随Ag含量提高,基体中Fe含量逐渐减少,在Cu-11Fe-6Ag的基体中Fe含量仅为2.5wt%,比Cu-12Fe降低45%。 参照形变Cu-Nb原位复合材料的强度计算模型,结合材料的微观结构分析,提出了形变Cu-Fe-Ag原位复合材料强化机制的物理模型,即材料的强度由Fe纤维的Hall-Petch强度σH?P、基体中固溶和析出的Fe的强化作用?σFe?M以及合金元素Ag的强化作用?σAg组成,并建立了相应的数学模型,即:σC =σH? P+?σFe?M+?σAg,其中σH ? P= 1319×λ?1/2,λ为纤维平均间距; ?σFe ?M=57×CF1/e2,CFe为基体中非纤维形态Fe的含量;当CAg饱和溶解度6%时,Ag的强化作用?σAg =100×C1A/g2,而当CAg饱和溶解度6%时,材料中存在形变Ag纤维,此时?σAg与应变量有关,当变形量η5以后,Ag纤维的强化效果越来越明显,在η=6.1和7.5时,Cu-11Fe-6Ag中?σAg分别达到340MPa和670MPa。应用上述模型得到的材料计算强度与测量强度基本吻合。 通过形变Cu-Fe-Ag原位复合材料的强化机制分析,揭示出Ag在形变Cu-Fe-Ag原位复合材料中具有两方面的强化作用:一是其自身对基体的固溶强化、析出强化和纤维的Hall-Petch强化作用;二是由于Ag对铸态α-Fe枝晶的细化作用,致使相同应变下Cu-Fe-Ag中纤维尺寸和间距明显减小,提高了Fe纤维的Hall-Petch强化作用σH ?P,在变形量η=6.1时,由Ag引起的?σH ?P达到200MPa。 研究了温度对形变Cu-Fe-Ag基体微观结构的影响,发现Ag能够促进γ-Fe在Cu基体中的时效析出动力学过程,降低Fe纤维的热稳定性,在350℃时效1h后Cu基体中开始共格析出γ-Fe粒子。本文作者提出了Ag的作用机制:基体中先析Ag粒子与Cu形成的半共格或非共格界面能量高,有利于γ-Fe在Cu/Ag界面形核;同时少量固溶Ag原子增大了基体晶格常数,提高了纤维/基体的界面能,加速了Fe原子的扩散速度。 研究了温度、时间、加工应变对形变Cu-Fe-Ag力学性能和导电性能的影响规律,并提出一套新的强度/电导率调控工艺,将高低温分级时效和冷变形结合,在保证Fe充分析出的同时,最大限度地保持了材料的强度。应用该调控工艺成功制备出新型高强高导形变Cu-11Fe-6Ag原位复合材料,在应变η=6.9、7.6、8.6、9.2时,其强度/电导率分别达到1020MPa/70.5%IACS、1140MPa/68.8%IACS、1260MPa/63.8%IACS、1500MPa/53%IACS,材料的综合性能明显优于研究报导的形变Cu-Fe原位复合材料,接近形变Cu-24Ag,而原料成本仅为Cu-24Ag的1/3,显示出良好经济效益和广阔的应用前景。