北京科技大学《JMST》：屈服377 MPa，延伸率为8 %！引入双峰晶粒结构实现Cu合金强度-塑性权衡！

2023-08-23 16:51:42 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：弥散强化铜合金可以获得超高强度，但通常以牺牲延展性为代价。本研究通过引入双峰晶粒结构，实现了一种克服Cu合金强度-塑性权衡的策略。采用机械合金化结合放电等离子烧结技术成功制备了Ta含量仅为0.5 at .%的Cu - Ta合金。采用一步球磨法和两步球磨法制备的样品分别命名为Cu - Ta (Ⅰ)和Cu - Ta (Ⅱ)。显微组织表征表明，Cu - Ta合金中获得了超细等轴晶，且Ta析出相均匀弥散分布。在Cu - Ta (Ⅰ)中获得了屈服强度为377 MPa，延伸率为8 %的高强度。通过两步球磨法成功地在Cu - Ta (Ⅱ)中引入了由细晶区和粗晶区组成的双峰晶粒结构，屈服强度( 463 MPa )和延伸率(~15 % )均得到了显著的协同增强。随着退火时间的增加，Cu-Ta (Ⅰ)和Cu - Ta (Ⅱ)的硬度值几乎保持不变，Cu-Ta (Ⅰ)和Cu - Ta的软化温度也基本保持不变。这表明Cu - 0.5 at.% Ta合金具有优异的热稳定性和优异的抗软化性能。具有半共格结构的Ta纳米团簇在增强合金的强度和组织稳定性方面起着至关重要的作用。双峰结构有利于背应力强化的激活和微裂纹的萌生和扩展，从而获得强度和延伸率的非凡组合。本研究为制备具有高强度、高延伸率、优异热稳定性和抗软化性能的弥散强化Cu合金提供了新的途径，在未来聚变堆领域具有潜在的应用价值。

铜基合金因其超高的强度和优异的导热性能，被选为聚变堆高热流密度应用部件的可行候选材料，尤其是沉淀强化铜( PS-Cu )合金和弥散强化铜( DS-Cu )合金。随着聚变堆的发展，与国际热核反应堆( ITER )的热负荷( 10MW / m2 )相比，示范堆( DEMO )的热沉材料必须在更高的热负荷下服役。同时，为了安全运行，对其力学性能提出了更高的要求，如更高的强度和热稳定性。未来聚变反应堆有必要开发在高温条件下服役的新型铜合金。近年来，难混溶Cu - Ta合金由于具有高的机械强度、优异的热稳定性和低的蠕变速率等前所未有的性能而备受关注。Darling等人采用高能低温机械合金化结合等通道转角挤压制备了纳米晶Cu - 10at.% Ta合金，并且发现从原子尺度的共格团簇到达到几个纳米的非共格团簇的Ta析出物在超常的微结构稳定性中起着有利的作用。Ta纳米团簇也被认为是重要的增强体，在Cu - Ta合金的强度贡献中占主导地位。最近，斯里尼瓦桑等报道了Cu - Ta合金的拉伸力学性能，对于Cu - 1 at.% Ta合金，当Ta含量超过5 at.%时，合金变脆，抗拉强度接近500 MPa，延伸率接近10 %。在以往的研究中，Cu - Ta合金大多采用高能深冷机械合金化结合等通道转角挤压的方法制备，工艺相对复杂。此外，Ta的含量高，价格昂贵。这些问题成为发展Cu - Ta合金大批量生产面临的主要挑战。因此，在保持较高的强度和良好的组织稳定性的前提下，为了降低成本，有必要降低Ta含量，有效简化Cu - Ta合金的制备和加工工艺。

机械合金化由于具有高能量使Cu和Ta之间形成更高的亚稳固溶体的能力，已被证实是制备Cu - Ta合金体系的一种简单有效的方法。同时，在机械合金化过程中可以有效细化晶粒，显著提高位错密度。值得注意的是，即使在接近Cu的Tm的温度下，Ta原子在Cu晶格内的扩散也非常缓慢，Ta原子倾向于在晶界处偏聚，这导致Cu - Ta合金的脆性增加，性能恶化。为保证服役过程中的安全运行，采取有效措施提高Cu合金的力学性能，尤其是延展性是极为必要的。一些旨在打破铜合金强塑折衷惯例的工作已经开展。张教授等人在Cu - 2.03 wt.% Al₂O₃合金中引入极少量的Ti来改善Al₂O₃ / Cu界面结合和基体晶粒组织，延伸率从- 5.7 % ( Cu-2.03 wt . % Al₂O₃合金)提高到- 9.3 %。( Cu-2.03 wt . % Al₂O₃合金)至△9.3 % ( Cu-2.03 wt . % Al₂O₃-0.2 wt . % Ti合金)。周教授等人采用不同尺寸和数量的不锈钢球球磨制备了Cu - 5 vol . % Al₂O₃合金，获得了7.5 %的延伸率。迄今为止，报道最多的DS - Cu合金的延展性仍然较低，因此有必要进一步探索提高Cu合金延展性的新方法，以获得强度和延伸率的优异组合。

北京科技大学常永勤教授团队对此进行了研究，设计并制备了Ta含量仅为0.5 at . %的Cu - Ta合金，采用常规机械合金化和放电等离子烧结( SPS )结合热轧工艺制备。此外，通过两步球磨法的新型机械合金化方法，在Cu - 0.5 at . % Ta合金中成功引入了双峰晶粒结构。详细研究了其微观结构、力学性能、热稳定性和抗软化性能，并对相关机理进行了探讨。相关研究成果以题为“Enhanced mechanical property by introducing bimodal grains structures in Cu-Ta alloys fabricated by mechanical alloying”发表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。