微量Zr、Mg等在Cu-Cr-Zr铜合金时效过程中的作用机理

Cu-Cr-Zr合金因其高强高导性能在高速列车架空导线、大规模集成电路引线框架等方面具有广阔的应用前景。目前，人们对Cu-Cr-Zr 合金的沉淀析出行为和微沉淀相特征并不十分清楚，对Zr、Mg等微量合金化元素在时效过程中的作用机理也缺乏深入的研究。本项目拟采用三维原子探针技术并结合TEM来分析合金的析出行为和微沉淀相特征；从原子层面来研究合金时效过程中溶质原子之间以及溶质原子与空位之间的相互作用；从晶体学结构、相变热力学及动力学的角度揭示时效析出过程；利用蒙特卡洛法模拟合金时效初期原子团簇、空位团簇等的结构演化，研究溶质原子团簇以及空位团簇之间的相互作用，验证3D-AP的实验结果。最终阐明Zr、Mg等微合金化元素在合金时效过程的作用机理。

Cu-Cr-Zr合金因其高强高导性能在高速列车架空导线、大规模集成电路引线框架等方面具有广阔的应用前景。目前，人们对Cu-Cr-Zr合金的沉淀相析出行为和微沉淀相特征并不十分清楚，对Zr、Mg等微量合金化元素在时效过程中的作用机理也缺乏深入的研究。本项目研究了不同成分合金在不同温度下时效的力学、导电性能变化规律；利用高分辨电镜研究了合金时效时析出相特征，查明了不同温度下的析出贯序，并从晶体学结构、热力学、动力学对其析出行为进行了研究；利用三维原子探针研究了Zr、Mg等元素在合金时效时的作用机理。得出的重要研究结果如下：Cu-Cr-Zr-Mg合金在450 ℃早期时效阶段的析出贯序为：过饱和固溶体→GP zone(I) (fcc富Cr相) → GP zone (II)(有序fcc 富Cr相) → 有序bcc富Cr相（Heusler结构），在550 ℃下时效析出的顺序是：过饱和固溶体→有序fcc富Cr相→有序bcc富Cr相。伴随析出过程，析出相和基体的界面由完全共格界面向共格-半共格界面转变，位向关系由cube-on-cube 向N-W位向关系转变。Zr元素在时效过程中除了在时效过程中形成富Zr相和Cu5Zr相之外，还可以和Mg、Si等元素偏聚在Cu和Cr相的界面，阻碍Cr析出相的长大，从而提高了合金的强度和抗软化性能；合金在450 ℃时效5 min后出现一些松散的Cr溶质原子富集区，合金时效时间延长到4 h时出现大量高密度的Cr溶质原子团簇现象。且随着时效的进行，Cr的分配系数增加。与此同时，Zr， Fe，Mg 和 Si的分配系数减少。Cu-Cr-Zr-Mg在450 ～550 ℃合金在不同温度时效时的相变动力学“S”曲线能很好的反应出时效转变的速率。揭示了出合金在450 ～550 ℃时效时的反应机理是三维扩散控制本项目的研究结果不仅对制备高性能的高强高导合金具有重要的应用价值，并大大丰富了高强高导铜合金微合金化等理论基础，从而推动相关产业的可持续发展。