过饱和铜铬合金粉体的制备和时效研究

论文摘要

社会的发展对材料提出了新的性能要求，高强高导铜基合金材料由于在电接触、集成电路的引线框架、包装、电力机车接触网架空导线、高强脉冲磁场导体线圈、连铸机结晶器内衬等多方面广泛的应用，成为材料研究和开发的重要领域，而铜铬系合金材料又是此领域的热点。利用快速凝固的方法可以制备晶粒度较为细小的过饱和铜铬合金，制备的过饱和合金经过合理的热处理工艺，可获得在强度和导电性能方面具有优良综合性能的材料。本文利用气体雾化法，在105—107K／S的冷却速度下进行真空喷粉，制备了Cu—0.34Cr、Cu—0.76Cr和Cu—1.56Cr三种过饱和铜铬合金粉体，并进行了形貌观察和化学分析。形貌观察结果表明，粉体颗粒大小均匀，表面光滑，基本为球状或椭球状，化学分析准确确定了粉体中元素铬的重量分数分别为0.34％、0.76％和1.56％。粉体压坯的X—Ray和能谱分析表明，溶质元素铬在基体中没有呈块状存在的状况，全部溶解在了基体之中且分布较为均匀，同时粉体压坯的二次电子像和背散射像也证明了这一状况。压制性能的研究确定了粉体的被压制能力和压制参数，确定了温度为150℃、压制压力为493.50Mpa的压制条件。对压制样品用真空玻璃管进行封装后，分别在200℃、400℃、500℃和600℃进行了等温时效处理，在不同的时效时间测量了样品的电导率和显微硬度。通过等温时效特性曲线的分析，确定了500℃，45分钟的最佳时效条件。用扫描电镜对各个时效温度，不同时效阶段的样品分别进行了观察。二次电子像观察了样品的形貌（腐蚀后的状态）随时效时间的变化状况，背散射电子像观察了溶质原子随时效时间聚集状态的不同。不同时效时间观察结果的对比表明，时效析出是在30分钟后才开始清晰可见的。用透射电镜和电子衍射对时效过程的析出状况进行了观察。形貌组织像显示时效的初始阶段溶质元素铬富集在一些小的（＜10nm）区域，并形成调制结构Ⅰ，随时效时间的延长调制结构的周期和化学计量比逐渐调整适应溶质元素Cr的新的富集状态，在30分钟之后逐渐被调制结构Ⅱ取代，45分钟时单质的Cr开始析出，呈条棒状或椭球状，条棒状析出宽5nm、长25nm左右，椭球状析出直径大约在20nm左右，直到时效结束（8小时）析出的单质铬仍保持在纳米级，晶内析出呈椭球状，直径在50nm以下，沿晶析出厚20nm左右。高分辩电子像和电子衍射花样的进一步观察，确定了两个调制结构的调制周期和晶体结构，证明过饱和铜铬合金时效析出过程的析出贯序为：fcc铜基固溶体→由fcc演化的调制结构Ⅰ→调制结构Ⅱ（DO3型超结构）→bcc的Cr单质析出相其中，调制结构Ⅰ的发现和结构分析尚属首次，该种过渡相的发现是对过饱和铜铬合金时效析出贯序的完善和补充，过饱和铜铬合金时效析出贯序的该种详细表述尚属首次。结构分析表明，调制结构Ⅰ是三维调制结构，是在铜基体的晶格排列基础之上经微小调制形成的，调制结构Ⅰ的周期约在7—9之间，调制方向为三个不同的[111]晶向，调制波矢约为0.120a*～0.132a*。调制结构Ⅱ是一种DO3型超结构，其晶胞由八个体心立方分两层上下相累而成，该结构和基体之间存在（1（?）1）Cu∥（1（?）0）PⅡ[（?）1]Cu∥[（?）0]PⅡ[01（?）]Cu∥[001]PⅡ的位向关系，即遵守N—W关系。调制结构Ⅱ很可能是时效后期单质铬析出的母相，实验过程中没有观察到文献中提到的面心立方的铬，和与基体共格的单质铬的析出状况。两个调制结构的发现吻合了时效特性曲线不符合常理且难以解释的部分，通过过饱和铜铬合金材料的强化机理和导电原理的分析，认为两个调制结构在合金的强化和导电方面均有较大贡献。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 铜铬合金简介
• 1.1.1 铜的基本性能特点
• 1.1.2 铜基材料和铜铬合金
• 1.1.3 铜铬材料的分类
• 1.2 铜基高强高导材料开发原理
• 1.2.1 固溶强化及其对电导性能的影响
• 1.2.2 细晶强化及其对电导性能的影响
• 1.2.3 冷加工硬化及其对电导性能的影响
• 1.2.4 时效强化及其对电导性能的影响
• 1.2.5 过剩相强化及其对电导性能的影响
• 1.2.6 综合强化
• 1.3 铜铬合金的应用
• 1.3.1 铜铬合金在电接触材料方面的应用
• 1.3.2 铜铬合金在集成电路引线框架和包装材料方面的应用
• 1.3.3 电力机车用接触网架空导线材料
• 1.3.4 高强脉冲磁场导体材料
• 1.3.5 其它领域
• 1.4 铜铬合金的制备方法
• 1.4.1 混合熔炼法
• 1.4.2 电弧熔炼法
• 1.4.3 粉末冶金法
• 1.4.4 喷射沉积法
• 1.4.5 机械合金化法
• 1.4.6 熔体旋压法
• 1.4.7 等离子体喷涂法
• 1.4.8 激光表面合金化法
• 1.5 高强高导Cu-Cr材料研究现状及发展趋势v
• 1.5.1 材料制备新工艺的研究
• 1.5.2 合金元素微量化和多元化的研究
• 1.5.2.1 添加微量元素的选择
• 1.5.2.2 添加稀土元素的研究
• 1.5.3 两种性能的相互关系和综合优化的研究
• 1.5.4 材料的组织、结构和性能的研究
• 1.6 本课题的研究目的和意义
• 1.7 本课题的主要研究内容及课题来源
• 1.7.1 研究内容
• 1.7.2 课题来源
• 第二章 实验设计和实验方法
• 2.1 试验过程
• 2.1.1 粉体制备
• 2.1.2 压制性能
• 2.1.3 时效特性
• 2.1.4 结构分析和测试
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 X—Ray分析
• 2.2.2 电学性能测试
• 2.2.3 显微硬度测试
• 2.2.4 二次电子像观察
• 2.2.5 背散射像观察
• 2.2.6 透射电镜和电子衍射观察
• 第三章 原料粉体的制备和性能结构测定
• 3.1 原料粉体的制备
• 3.1.1 所需粉体要求
• 3.1.2 粉体制备原理
• 3.2 粉体的性能测定
• 3.2.1 化学成分的测试
• 3.2.2 粉体的压制性能
• 3.2.2.1 粉体的压制方法和结果
• 3.2.2.2 粉体压制方程简介
• 3.2.2.3 黄培云双对数方程拟合
• 3.3 粉体的结构测定
• 3.3.1 X—Ray检测
• 3.3.2 扫描电镜和能谱分析
• 3.4 本章小节
• 第四章 铜铬合金压坯的时效过程和时效特性
• 4.1 实验过程简述
• 4.2 电导率的时效特性
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 实验结果和分析
• 4.3 硬度的时效特性
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 实验结果和分析
• 4.4 本章小节
• 第五章 铜铬合金时效过程析出相的形貌和结构分析
• 5.1 Cu-Cr合金时效过程析出相研究的现状和已有成果
• 5.1.1 析出次序
• 5.1.2 析出物的微观结构
• 5.1.3 析出物位向关系
• 5.1.4 铜铬合金中析出相晶体学关系模型
• 5.2 扫描电镜二次电子像分析
• 5.2.1 实验方法
• 5.2.2 实验结果和分析
• 5.3 扫描电镜背散射电子像分析
• 5.3.1 实验方法
• 5.3.2 实验结果和分析
• 5.4 透射电镜电子显微分析
• 5.4.1 实验方法
• 5.4.2 实验结果和分析
• 5.4.3 时效过程的结构变迁
• 5.5 本章小节
• 第六章 结构演变对性能的影响
• 6.1 铜铬合金时效过程中的结构演变
• 6.2 铜铬合金的导电机制
• 6.2.1 金属导电的微观本质
• 6.2.2 各种缺陷对电导率的影响
• 6.2.3 固溶原子对电导率的影响
• 6.2.4 有序结构对电导率的影响
• 6.2.5 析出相对电导率的影响
• 6.2.6 时效过程电导率的变化
• 6.3 铜铬合金的强化机制
• 6.3.1 各个因素对强度的影响
• 6.3.2 时效过程中强度的变化
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读博士学位期间发表的论文