机械合金化法制备Cu-Cr-Zr合金粉体及其材料性能研究

发布时间：2020-04-09 14:20

【摘要】：Cu-Cr-Zr合金是一种具有优越综合性能的新型功能材料,具有优良的导电、导热和高强度等性能,广泛应用于电力、电工及航空等行业。目前制备Cu-Cr-Zr合金的难点主要是Cr、Zr在Cu中固溶度较低,易造成成份偏析。为解决以上问题,本文采用机械合金化法制备Cu-Cr-Zr合金。采用卧式搅拌高能球磨的高能量输出来制备Cr、Zr固溶度较高、成份均匀的Cu-Cr-Zr合金粉体,辅以真空热压烧结工艺对粉体制备成型,研究了合金成份对合金性能的影响。(1)采用单因素实验研究了球磨参数对Cu-10 wt%Cr-10 wt%Zr合金粉体性能的影响。分析球磨时间、搅拌轴转速、球磨助剂含量、球料比和球磨介质大小对Cu-10 wt%Cr-10 wt%Zr粉体合金化时间、微观形貌的影响。通过对粉体进行SEM观察,利用XRD对其成份表征分析,得出在搅拌轴转速为1100/1300 rpm、球磨助剂含量1.5 wt%、球料比10:1及4 mm轴承钢球时,Cu-10 wt%Cr-10 wt%Zr粉体合金化所需时间最短为30 h。(2)研究了Cu-Cr合金中Cr含量(0.5 wt%-10 wt%)的变化对合金力学及电性能的影响。对合金进行XRD、SEM、力学拉伸及导电等检测,表征其成份组成及进行性能分析。在Cr含量为5 wt%时,Cu-5 wt%Cr粉体在球磨20 h时实现合金化,合金抗拉强度达到最大值为721.51 MPa,相比于纯铜增大了262.56%,电导率为59.30%IACS,确定Cr的加入量为5 wt%。(3)研究了Cu-5 wt%Cr-Zr合金中Zr含量(1 wt%-15 wt%)的变化对合金力学及电性能的影响。利用XRD、SEM、力学试验机及导电仪对合金进行成份、力学及电性能测试。在Zr含量为8 wt%时,粉体合金化所需时间为25 h。合金抗拉强度达到最大值为829.15 MPa,相比于纯铜增大了316.65%,电导率为43.70%IACS,因此选定Zr的添加量为8 wt%,制得Cu-5 wt%Cr-8 wt%Zr合金。(4)研究了Cu-5 wt%Cr-8 wt%Zr合金的强化机理及微观组织结构。采用SEM、金相、TEM对合金的断口形貌、微观结构进行表征。合金的增强机制为固溶强化。通过分析合金的拉伸断口形貌,发现Cu-5 wt%Cr-Zr合金中,随着Zr含量(1 wt%-15 wt%)的增加,合金断口处韧窝的数量逐渐增多且变大变深,合金由脆性断裂逐渐转变为韧性断裂,失效方式为基体的撕裂及合金固溶颗粒的断裂。
【图文】：

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图 1.1 机械合金化技术应用.3.1 机械合金化的演变过程已知机械合金化过程是一种非平衡条件过程，混合的金属粉体在机械球磨下，经过长时间的球磨，其演变过程可以描述为，在磨球的不断撞击作用下金属粉体颗粒之间发生反复的塑性变形、加工硬化、破碎以及冷焊，颗粒的和团聚贯穿于整个球磨过程，进而形成混合颗粒，在这反复的机械球磨过程会在金属粉体之间发生机械合金化。粉体颗粒间固溶形成新相态或者发生液应的过程[33]。图 1.2 所示为机械合金化法制备合金粉体的演变流程示意图。

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图 1.2 机械合金化法制备合金粉体的演变流程示意图已知实验过程中 Cu 粉的延展性较好，Cr 呈脆性，Zr 具有较好的可塑性，Cu、Cr、Zr 三种金属组成的 Cu-Cr-Zr 体系属于延性/延性粉体球磨体系。此组份间的机械合金化过程分为五个阶段[33]：第一阶段，为金属粉体间的机械混合阶段。球与粉碰撞产生微锻，由于球磨过程中粉体的断裂和微锻过程的交替进行，延性粉体颗粒发生片状化，变成片状和碎块状，形成粉体的片状特征。第二阶段，为宏观铸造阶段。合金粉体发生加工硬化，粉体变为扁平或片状颗粒，在广泛的冷焊和破碎过程中，颗粒尺寸进一步细化，片状粉体被焊合在一起，形成一种层状的复合组织颗粒，粉体颗粒的层间距离减小，呈卷曲状。随着断裂和冷焊的交替进行，发生冷态锻焊，合金粉体的硬度和脆性增加。第三阶段，开始合金化阶段。在球磨产生的热效应，塑性变形产生的晶体缺陷，加工硬化的混合粉体断裂和剥离，，致使层状组织更细微，反复的被揉搓和啮
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF123.2

【参考文献】