Cu-Cr系合金组织与高温性能研究

发布时间：2020-06-14 19:33

【摘要】：CuCr合金是一种典型的沉淀强化型铜合金,在电器设备制造领域应用广泛。CuCr合金极限抗拉强度相对偏低,需要进行元素合金化来进一步提高力学性能。研究表明,Zr元素可以促进Cr相析出,改善析出相分布,同时Zr元素与Cu形成的铜锆化合物可起到沉淀强化的作用,因此CuCrZr合金力学性能优异。Zr元素化学性质活泼、易氧化,采用大气熔炼会造成Zr元素损耗较大,无法保证铸锭品质。目前CuCrZr合金生产以真空熔炼为主,这种方式生产成本较高,坯料尺寸也受到极大限制,该工艺尚不足以实现CuCrZr合金的大规模生产应用。相比Mg、Ti等固溶强化型元素,Ag作为Cu的同族元素,微量添加对合金导电性能影响极小,且Ag元素理化性质稳定,CuCrAg合金可以实现连铸生产。基于CuCrZr合金目前难以实现大批量、连续化生产的现状,CuCrAg合金有潜力在特定环境(如高温环境)下替代CuCrZr合金,同时,利用理化性质稳定的Ag元素部分取代性质活泼的Zr元素,有助于CuCrZr合金生产工艺进一步优化。目前关于CuCrAg、CuCrZrAg合金的高温性能方面的研究较少,本文在CuCr二元合金的基础上,通过设计Zr、Ag、(Zr+Ag)原子比相同的CuCrZr、CuCrAg、CuCrZrAg三种合金,开展力学拉伸试验、蠕变试验、硬度测试、电导率测试,对比了三种合金室温、高温性能及抗蠕变特性等方面的差异,借助金相显微镜、透射电镜、扫描电镜等仪器对三种合金的微观组织进行了分析,建立了合金性能与微观组织之间的关联关系,验证和明确了 CuCrAg、CuCrZrAg合金替代CuCrZr合金的可行性及环境条件。室温力学性能测试表明,经900℃×12h均匀化处理,CuCrZr、CuCrAg、CuCrZrAg合金均适用冷加工+时效处理的方案。经450℃×3h时效后,CuCrAg合金展现出优于CuCrZr和CuCrZrAg合金的综合性能,抗拉强度和电导率分别达到318MPa和96.2%IACS。经 27%变形量加工,Cu-0.24Cr-0.04Zr(at%)合金采取 450℃×4h 时效处理,抗拉强度达到 428MPa,电导率为93.3%IACS;Cu-0.22Cr-0.06Ag(at%)合金经400℃×8h时效处理,抗拉强度达到 451MPa,电导率为 96.1%IACS;Cu-0.24Cr-0.02Zr-0.03Ag(at%)合金经400℃×4h处理,抗拉强度达到479MPa,电导率为93.2%IACS。高温拉伸试验表明,温度由300℃升至600℃,三种合金的力学性能均显著下降。CuCrZr合金抗拉强度由176MPa降至121MPa,CuCrAg合金抗拉强度由208MPa降至92MPa,CuCrZrAg合金抗拉强度由184MPa降至116MPa。软化试验结果表明,CuCrZr、CuCrAg、CuCrZrAg 合金的软化温度分别约为 620℃、550℃、600℃。TEM分析表明,CuCrZr、CuCrZrAg合金组织中析出相尺寸随温度升高变化较小,析出相在高温下仍能保持对位错运动较强的阻碍能力,而CuCrAg合金中析出相高温下严重粗化,对位错的阻碍能力减小,因此高温环境中性能恶化严重。CuCrZr、CuCrZrAg合金在T=400℃,σ=30MPa时存在应变随时间而减小的负蠕变现象,随着温度升高、应力增大,负蠕变现象消失。三种合金蠕变持久寿命均随温度、应力的增大而急剧缩短,CuCrAg合金蠕变持久寿命受温度、应力影响最大,CuCrZr合金蠕变持久寿命所受影响最小。T=600℃,σ=30MPa,CuCrAg合金蠕变持久寿命为7.7h,而CuCrAg和CuCrZrAg合金蠕变持久寿命大于50h。CuCrZr、CuCrAg、CuCrZrAg 在 T=600℃下的应力指数 n 分别为 5.2、3.7、5.3,CuCrZr 和 CuCrZrAg 合金的蠕变机制均为位错攀移控制机制,而CuCrAg合金的蠕变机制为位错粘滞运动控制机制。CuCrAg蠕变断裂机制为脆性沿晶断裂,CuCrZr、CuCrZrAg合金蠕变断裂机制为韧性沿晶断裂。综上所述,低温条件下(≤300℃)CuCrAg、CuCrZrAg合金均可作为CuCrZr合金的替代材料应用,鉴于CuCrAg合金高温性能较差,不建议在高温下应用;而利用Ag元素部分取代Zr元素,CuCrZrAg合金高温性能与CuCrZr合金接近,高温下可以部分替代CuCrZr合金。
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.11
【图文】：

二元合金相图,二元合金相图

逦６７逦７．１９逡逑图１．１为Ｃｕ－Ｃｒ二元合金相图⑷。根据相图可知，ＣｕＣｒ合金是一种典型的沉淀强逡逑化型铜合金，Ｃｒ元素在Ｃｕ中的溶解度极为有限，且伴随温度下降快速降低。研究结逡逑果表明，在时效过程中Ｃｒ相会从Ｃｕ基体逐渐析出，降低晶格畸变对电子传输带来逡逑的不利影响，改善合金导电性，而分布在基体中的Ｃｒ相则可以起到阻碍位错运动的逡逑作用，提高合金力学性能。逡逑４逡逑

发动机燃烧室,外观

逦逦逡逑（４）火箭发动机燃烧室内壁材料逡逑除受到冷却通道压力脉动的作用，由于外壁刚性加强箍带作用，液体火箭发动机逡逑推力室（图１．２）内壁受热膨胀时还会会承受一个较大的束缚力，因此内壁通常处于逡逑塑性极限变形３％应变范围内工作［３７］。火箭推力室内壁材料需具备较高的抗氢脆能力、逡逑导热系数以及耐疲劳、蠕变性能。因具备与氧良好的相溶性及高导热性两个特点，铜逡逑可以用作制造火箭发动机部件基材，与氧的相溶性是全流循环发动机氧化剂所必须的，逡逑良好的导热性主要用在推力室内衬上。根据相关报道［３８］，美国航天部门研发的牌号为逡逑ＧＲＣｏｐ－８４的铜合金可用作火箭发动机套筒及其他受热部件。该合金具体组成为Ｃｕ－逡逑８Ｃｒ－４Ｎｂ（ｗｔ％），主要由纯铜基体和１４Ｖｏｌ％的Ｃｒ２Ｎｂ颗粒组成。这种材料具备良好的逡逑加工特性，利用粉末冶金或锻造工艺即可加工成复杂零件，试验结果表明在合理加工逡逑条件范围内，相关加工参数对材料性能不会产生太大影响。逡逑

【参考文献】