交变磁场下Cu-Fe原位复合材料组织与性能研究

发布时间：2020-07-25 20:10

【摘要】：近年来,金属材料电磁凝固技术的应用不仅丰富和发展了金属凝固理论,而且还有力推动了新材料新技术的发展。Cu-Fe形变原位复合材料因其良好的综合性能被认为是一种极具工业应用前景的高强高导电铜基材料,但其凝固组织中发达的Fe枝晶与残留的固溶Fe原子极大约束了 Cu-Fe复合材料的推广应用。外加磁场能够改变凝固过程中熔体的热量、质量与动量传输过程,从而调控材料的组织、溶质分布和性能,且具有无污染、非接触等优点。本文聚焦如何在Cu-Fe合金凝固过程中调控初生Fe相的生长分布和促进Cu基体中固溶Fe原子析出这两个关键科学问题,提出了采用外加交变磁场调控凝固组织、促进析出的研究思路。基于Cu-14Fe和Cu-8Fe两种复合材料,研究交变磁场对Cu-Fe原位复合材料凝固行为的影响规律及作用机制,在凝固工艺参数优化的基础上建立了高强高导电铜材料交变磁场凝固工艺。结合相图热力学计算,探索了交变磁场和Ag微合金化复合工艺下Cu-Fe形变原位复合材料从凝固到形变阶段组织与性能的演变规律。得到以下主要结论:(1)交变磁场下Cu-Fe原位复合材料凝固行为研究表明,交变磁场从晶核游离、枝晶臂熔断和固/液界面稳定性等三个方面影响了初生Fe相的形核与生长,促进初生Fe相由发达的树枝晶转变为细小蔷薇状或球状晶粒,且晶粒分布更均匀。交变磁场下熔体的强制对流能够有效抑制Fe相由于比重差造成的上浮迁移,促进Fe相均匀分布,显著改善宏观偏析等缺陷。交变磁场的应用影响了溶质元素的传输过程,有效降低了材料的氧含量并显著影响了 Cu基体和初生Fe相中的溶质分布。提出了 Cu-Fe原位复合材料的强化机制包括固溶强化、析出强化和细晶强化三类强化方式,其强化模型可表示为遵循ROM法则和Hall-Petch效应下三种强化机制的交互作用。Cu-Fe原位复合材料的导电机制主要取决于Cu基体中的杂质散射电阻,氧含量和Cu基体中Fe含量的下降均有利于材料电导率的改善。交变磁场凝固工艺在电气化铁路产品用Cu-Fe-P-RE合金中的应用试验表明,铸坯中晶粒的尺寸和分布显著改善,力学性能和耐蚀性均有所提高,材料综合性能优于原常规熔铸生产产品。(2)交变磁场在Cu-Fe原位复合材料凝固过程中的应用能够有效降低Cu基体中固溶Fe原子的含量。Cu-Fe原位复合材料经不同电磁参数交变磁场处理后,Cu基体中Fe的含量有所下降,且Fe含量水平随磁感应强度的增加而逐渐降低。依据力学性能与导电性能的测试结果与计算,通过热力学和动力学机制分析,本文提出了交变磁场凝固下固溶Fe原子的析出机制,认为在交变磁场影响下,熔体过冷度的增加降低了晶体的形核自由能,减小了原子簇团从液相到固相需要克服的势垒,有利于促进凝固过程中Fe原子的析出形核,从而降低Cu基体中固溶Fe原子的含量。(3)微量Ag元素的加入能有效细化初生Fe相并降低Cu基体中Fe的含量。综合运用交变磁场对Fe原子的促进析出作用和Ag对Fe原子的抑制固溶作用,交变磁场和Ag微合金化复合工艺下Cu-Fe原位复合材料组织和性能的优化效果更为显著。相比常规凝固工艺,初生Fe相平均晶粒尺寸下降约25%,材料电导率提高约20%。凝固组织中初生Fe相的形态分布和Cu基体中Fe的含量对材料形变后的综合性能有重要影响。Cu-Fe形变原位复合材料的强化机制包括位错强化、Fe纤维的Hall-Petch效应和Fe粒子的析出强化。复合工艺下凝固组织中初生Fe相的细化和弥散分布减小了形变后Fe纤维的尺寸和间距,提高了等应变量下复合材料的抗拉强度和塑性。Cu-Fe形变原位复合材料的导电机制取决于Cu基体中杂质散射电阻与相界面散射电阻的综合影响,形变加工初期,Cu基体中的杂质和缺陷是影响材料导电性能的主要因素,当η3.7时,相界面密度的上升成为影响材料电导率的主要因素。交变磁场和Ag微合金化复合工艺制备的Cu-Fe形变原位复合材料综合性能显著改善,Cu-14Fe形变原位复合材料抗拉强度最大提高约16%,电导率最大提高达20%。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

形变组织,铸态组织

葛继平等发现，Ｃｕ－Ｆｅ合金显微组织为Ｃｕ基体上分布着树枝状的Ｆｅ相，逡逑且枝晶尺寸随着Ｆｅ含量增加而更发达。冷变形后，Ｆｅ相在纵截面上形成细条逡逑状纤维组织，横截面上呈弯曲的薄片状，如图１．３所示［９６］。Ｌｉｕ［９７，９８］等认为冷变逡逑形过程中Ｆｅ枝晶形成纤维的演变过程主要经历了枝晶破碎、晶粒变形、纤维合逡逑并和纤维细化等四个阶段，形成立体形态为弯曲的薄片状的纤维组织。界１１等［９９］逡逑对Ｃｕ－Ｆｅ形变原位复合材料研宄发现，大应变量形变加工使初生Ｆｅ相形成强逡逑烈的变形织构，复合材料中Ｃｕ晶体和Ｆｅ晶体均沿加工方向发生织构取向和分逡逑布的变化。逡逑图１．２邋Ｃｕ－Ｆｅ合金凝固组织（ａ）常规凝固；（ｂ）快速凝固［９３］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｃｕ－Ｆｅ邋ａｌｌｏｙ：邋（ａ）邋ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；邋（ｂ）邋ｒａｐｉｄ邋ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ＾９３】逡逑图１．３邋Ｆｅ相形貌⑷铸态组织；（ｂ）形变组织（『４．８）邋［９６］逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ邋ｏｆ邋Ｆｅ邋ｐｈａｓｅ：邋（ａ）邋ｃａｓｔ；邋（ｂ）ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋（＂＝邋４．８）［９６］逡逑１４逡逑

常规凝固,合金凝固组织,快速凝固

形貌,交变磁场,宏观组织,无磁

微硬度也随之提高。凝固过程中交变磁场的应用同时有利于促进柱状晶向等轴逡逑晶的转变。Ｖｉｖｅ［１２３，邋１２４］发现交变磁场在铝合金的凝固中促进了凝固组织形成细逡逑等轴晶结构。图１．４所示为交变磁场对铝凝固组织的影响，交变磁场下铝晶粒逡逑形貌由粗大的柱状晶转变为细密的等轴晶结构，中心缩孔也明显变小［１２５］。Ｃｈｅｎ逡逑等［１２６］也发现当施加交变磁场后，磁感应强度在一定范围内的增加，Ｐｂ－Ｓｎ合金逡逑先共晶相的形貌由树枝晶向等轴状组织转变，且晶粒尺寸明显细化。逡逑＿＿逡逑图１．４纯铝铸锭宏观组织⑷无磁场；（ｂ）交变磁场［１２５］逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｍａｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆＡｌ邋ｉｎｇｏｔｓ：邋（ａ）ｗｉｔｈｏｕｔ邋ＡＭＦ；邋（ｂ）ｗｉｔｈ邋ＡＭＦ１＇２５１逡逑交变磁场产生的熔体流动使树枝晶末端或二次臂脱落，造成大量枝晶碎片逡逑作为晶核，有利于等轴晶的发展和晶粒细化。对于交变磁场中熔体流动造成树逡逑１８逡逑

【参考文献】