弥散相增强Cu-Zr和Cu-Cr-Zr合金的制备与性能研究

发布时间：2020-07-18 23:49

【摘要】：未来聚变堆偏滤器部件的制造需要高导热率、高强度和耐离子、中子辐照的高性能热沉Cu合金。现有沉淀硬化型(PH)和氧化物弥散强化型(DS)铜合金尚不能满足性能要求。本研究利用Cu-Zr氧化非晶作为中间合金,采用真空熔炼技术并结合冷轧和固溶时效处理制备弥散强化型Cu-Zr和Cu-Cr-Zr合金。通过光学金相、扫描电镜、电子探针、X射线衍射、透射电镜和热分析手段分析了合金的组织形貌、成分、相组成以及组织结构稳定性。采用显微硬度计、单轴拉伸机与电导率测试仪研究了新合金的室温力学和导电性能。论文工作主要研究成果如下:(1)通过熔体快淬技术获得Cu_(50)Zr_(50)非晶条带,并在低于非晶合金的玻璃化转变的特定温度进行氧化处理,获得了Cu_(50)Zr_(50)氧化非晶中间合金,一部分氧溶入非晶基体,另一部分形成Zr(Cu)基氧化物。(2)以纯Cu和Cu_(50)Zr_(50)氧化非晶为原料,配制、熔炼了名义成分为DS Cu-[0.1,0.2,0.3,0.4,0.5]Zr的合金。其铸态样品Cu基体上均匀弥散分布着5 nm大小的面心立方(a=0.37 nm)相,与Cu基体无共格关系,对位错产生钉扎;Cu基体晶粒的内部与晶界处存在微米大小的富Zr析出物,它呈圆形或长条状,是面心立方纳米相和体心四方(a=b=0.50 nm,c=0.71 nm)粗大相的混合物。经固溶时效(980°C-1h,水淬;475°C-2 h,炉冷)处理后,Cu晶粒内的长条状析出物消失,但圆形析出物的数量与形态无明显变化,晶内出现了均匀分布的针状沉淀相;此时晶界变得断续,并形成了三角晶界。DS Cu-Zr铸锭经80%冷变形轧制后分别在400°C、500°C、600°C、700°C下进行1h的退火处理,结果发现:400°C退火样品的显微硬度高出轧制态~10 HV,退火态样品的硬度随退火温度升高而降低,700°C退火样品硬度与原始铸锭基本持平(60HV)。轧制态样品的室温电导率优于同成分的原始铸态样品,与铸态相似,样品的电导能力随合金Zr含量的增大而逐渐降低。DS Cu-Zr合金的室温抗拉强度随着Zr含量增加而增大,其中,DS Cu-0.5Zr合金的室温抗拉强度为416 MPa,延伸率为3.0%,拉伸断口上形成了大量韧窝,其中发现有圆形析出物聚集。(3)通过少量Cr的添加,用相同技术与流程制备了名义成分为DS Cu-0.75Cr-[0.1,0.2,0.3]Zr的合金。它们的铸锭金相组织特征与无Cr的DS Cu-Zr的类似,但其Cu晶粒内部出现了微纳尺寸的富Cr相粒子聚集,富Zr析出物附近也存在少量富Cr相粒子。DS Cu-0.75Cr-[0.1,0.3]Zr合金经固溶时效处理(同无Cr合金)后,晶界与基体上仍有富Cr相粒子存在,但富Zr析出物基本消失。透射电镜研究发现,Cu基体上弥散、均匀分布着大量纳米相,伴随有位错钉扎。这些纳米析出相主要有两种形态:一种是厚度约2 nm、取向相同、平行排列、均匀分布的长条状沉淀,大量分布在Cu基体上;另一种为先前发现的面心立方(a=0.37 nm)纳米相,富集在几十纳米厚的平直晶界上。这两种纳米相的成分与晶体结构未能完全确定,它们的协同强化造成固溶时效后合金的显微硬度显著增加,其中DS Cu-0.75Cr-0.2Zr室温显微硬度达149 HV,其电导率高达84.8%IACS。DS Cu-Cr-Zr合金铸锭经冷变形后性能得到优化,例如,DS Cu-0.75Cr-0.1Zr合金的室温抗拉强度为412 MPa,断裂延伸率约9%,平均电导率为31.8%IACS。固溶时效处理后材料的显微硬度与抗拉强度稍有下降,但室温塑性变形能力有显著提升。其中,DS Cu-0.75Cr-0.2Zr合金抗拉强度约382 MPa,延伸率达32%,电导率约83.8%IACS。合金的强度和相同处理工艺下的ITER级Cu-Cr-Zr合金相当,但塑性显著改善,电导率也略微提高。本研究利用新的工艺方法获得了弥散强化型Cu-Cr-Zr合金具有与ITER级核聚变用CuCrZr合金相当的室温强度和导电率,但室温塑性更优。目前还需进一步澄清纳米弥散相的强化机制,同时结合中间合金的成分调控和整体制备工艺的优化,获得更优性能的热沉Cu合金,为后期抗高温蠕变、离子/中子辐照等性能测试提供备选材料。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL627;TG146.11

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