熔炼法制备新型弥散强化铜合金及性能研究

发布时间：2020-10-26 12:53

　　 热沉材料是制造核聚变堆水冷偏滤器部件的关键材料之一,需具备优良的导热、高温力学稳定性和抗离子、中子辐照等综合性能。现有弥散增强铜合金(DS-Cu)无法满足未来聚变堆偏滤器热沉材料的服役要求,而且,目前成熟的DS-Cu制备技术主要基于内氧化法,存在工艺流程复杂、周期长、成本高等问题,规模化制备困难。本工作基于未来聚变堆热沉材料的性能需求开展前瞻性研究,提出利用铜基非晶作为中间合金,氧化后与纯铜(铬)混合,再通过非自耗电弧熔炼直接制备纳米粒子弥散强化的Cu合金,工艺简单、高效,有利于实现规模化制备。通过XRD、EPMA、SEM、TEM等技术对其进行了结构、成分和组织表征,并利用拉伸试验机、电导率仪对合金的力学性能和导电性能进行测试。论文研究主要结果如下:(1)提出了一种DS-Cu的高效制备方法。具体流程包括:非晶合金的制备、氧化以及与纯铜(铬)混合熔炼。典型工艺为:首先采用真空电弧熔炼和熔体快淬法制备CuY非晶中间合金,据其晶化温度,确定相关氧化工艺;然后将氧化后的非晶合金与纯铜(铬)混合,直接真空熔炼,得到不同成分的含Y(Cr)DS-Cu。(2)室温力学和导电性能测试表明:随着Y含量增加,铸态DS-Cu的电导率从95%IACS(0.2 wt.%Y)逐渐下降至87%IACS(0.6 wt.%Y);经室温轧制处理后,合金的电导率稍有下降,但强度明显改善,其中0.3 wt.%Y合金的抗拉强度(σ_b)达622 MPa,且为塑性断裂;在950°C退火后,合金的σ_b将显著下降,并发生了沿晶脆性断裂。因此,向合金中添加0.75 wt.%Cr,与无Cr合金相比,添Cr后轧制样品的σ_b=414 MPa,仍为塑性断裂,且固溶时效处理后合金的σ_b下降至283 MPa,比先前无Cr合金的高120MPa,但脆性断裂模式不变,不同的是断口上有少量韧窝形成,这说明Cr的添加将有助于改善合金时效态样品的室温力学性能,但会稍微影响合金的室温电导率,测得该合金的室温电导率值为82±1%IACS。(3)微结构分析表明:DS-Cu基体上弥散分布球形第二相纳米粒子,其大小在2-10 nm之间,这表明该DS-Cu制备新方法的可行性。与无Cr合金相比,含Cr合金时效后晶内析出相明显减少,且晶界形态发生了变化,但晶界析出物依然大量存在,且成分无明显变化。分析表明:晶内析出物是体心四方结构未知相(a=b=0.43 nm,c=0.31nm),晶界析出物是面心立方Cu固溶体相和纳米未知相的混合物;含Cr合金中有纳米大小的FCC型富Cr相粒子析出,它们与基体Cu存在明确的共格关系。本研究表明Cr的少量添加会显著影响合金的组织与性能,其作用机制和影响规律值得进一步深入探究。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL627;TG146.11
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 前言
    1.1 研究背景及意义
    1.2 偏滤器用材选择
        1.2.1 PFM的选择
        1.2.2 HSM的选择
    1.3 弥散强化铜合金（DS-Cu）
    1.4 DS-Cu合金的制备
        1.4.1 内氧化法（Internal Oxidation）
        1.4.2 机械合金化法（Mechanical Alloying）
        1.4.3 化学沉淀法（Chemical Precipitation）
        1.4.4 液相原位反应（In-Situ Reaction at Liquidus Temperature）
        1.4.5 反应喷射沉积法（Reactive Spray Deposition）
        1.4.6 复合铸造法（Compocasting）
        1.4.7 液相合金混合原位反应法（Mixalloy Process）
    1.5 研究目标及内容
2 合金制备及实验方法
    2.1 实验方案
    2.2 合金的制备
        2.2.1 母合金锭的制备
        2.2.2 非晶中间合金条带的制备
        2.2.3 DS-Cu合金的制备及成型工艺
    2.3 微结构表征和性能测试
        2.3.1 金相形貌
        2.3.2 显微硬度
        2.3.3 X射线衍射
        2.3.4 热重分析
        2.3.5 电子探针成分分析
        2.3.6 透射电镜微结构观察
        2.3.7 电导率测试
        2.3.8 拉伸实验及断口分析
3 非晶合金氧化工艺的探索
    3.1 非晶合金成分的选择及结构表征
        3.1.1 母合金成分的选择
        3.1.2 非晶合金的X射线衍射
    3.2 非晶合金的晶化及熔化行为
    3.3 DTA模拟非晶合金氧化增重过程
    3.4 本章小结
4 DS Cu-Y合金的微结构和性能
    4.1 铸态DS Cu-Y合金的微观组织和显微硬度
        4.1.1 铸态合金的金相组织
        4.1.2 铸态合金的显微硬度
    4.2 轧制态DS Cu-Y合金的微观组织和力学性能
        4.2.1 轧制态合金的金相组织
        4.2.2 轧制态合金的显微硬度
        4.2.3 轧制态合金的拉伸及断口
    4.3 不同状态下DS Cu-Y合金的电导率
    4.4 DS Cu-Y合金微结构和成分分析
        4.4.1 合金X射线衍射
        4.4.2 合金EPMA结果分析
        4.4.3 合金TEM微结构观察
    4.5 本章小结
5 探索Cr元素对DS Cu-Y合金微结构和性能的影响
    5.1 DS Cu-Cr-Y合金的金相组织
        5.1.1 铸态/时效态合金金相组织
        5.1.2 轧制态/时效态合金金相组织
    5.2 DS Cu-Cr-Y合金的力学性能
        5.2.1 合金显微硬度
        5.2.2 合金拉伸及断口
    5.3 不同状态下DS Cu-Cr-Y合金的电导率
    5.4 DS Cu-Cr-Y合金的微结构和成分分析
        5.4.1 合金X射线衍射
        5.4.2 合金EPMA结果分析
        5.4.3 合金TEM微结构观察
    5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

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本文编号：2857023