北京科技大學(xué)頂刊綜述：IF=48.16，全面總結(jié)高強(qiáng)高導(dǎo)電析出強(qiáng)化銅合金的研究進(jìn)展！
2023-05-22 13:26:05
作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)
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銅因其顯著的性能而備受關(guān)注，包括高導(dǎo)電性(EC)和導(dǎo)熱性、優(yōu)異的耐腐蝕性、可鍍性和良好的機(jī)械性能。因此，銅及銅合金在機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、電子電氣工程等各個(gè)工業(yè)部門(mén)得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，電子和電氣工業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致對(duì)銅合金的需求增加。一方面，集成電路水平的提高導(dǎo)致終端數(shù)量的增加，這反過(guò)來(lái)又對(duì)EC和導(dǎo)熱性提出了更高的要求。另一方面，引線(xiàn)框架的厚度需要進(jìn)一步減小，這就對(duì)銅合金的強(qiáng)度提出了更高的要求。然而，幾十年來(lái)，研究人員在打破強(qiáng)度和延伸率與高強(qiáng)度和導(dǎo)電性(HSC)之間的權(quán)衡方面遇到了挑戰(zhàn)。含HSC的Cu合金的強(qiáng)化機(jī)制主要有固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化。除了沉淀強(qiáng)化外，其他強(qiáng)化機(jī)制可能會(huì)產(chǎn)生大量的晶體缺陷，從而對(duì)EC產(chǎn)生不利影響。因此，如何在不犧牲電導(dǎo)率的前提下大幅度提高合金的強(qiáng)度，一直是銅合金研究領(lǐng)域關(guān)注的問(wèn)題。沉淀強(qiáng)化是實(shí)現(xiàn)Cu合金HSC的主要方法。一方面，時(shí)效過(guò)程中析出相的形成阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)，從而提高了強(qiáng)度。從其他方面考慮，析出相的形成降低了合金基體中溶質(zhì)原子的濃度，導(dǎo)致電子散射減少，從而增加了EC。此外，近年來(lái)，利用異質(zhì)變形誘導(dǎo)(HDI)硬化強(qiáng)化Cu合金的研究也非常廣泛。綜上所述，為了進(jìn)一步提高Cu合金的綜合性能，有必要開(kāi)發(fā)新型的沉淀強(qiáng)化Cu合金。北京科技大學(xué)郭明星教授聯(lián)合中鋁科學(xué)院婁花芬教授等人為了在析出強(qiáng)化Cu合金中獲得優(yōu)異的強(qiáng)度、EC和彈性，綜述了含HSC的先進(jìn)Cu合金的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注成分、組織和析出行為的控制，重點(diǎn)研究了HSC在Cu合金中的強(qiáng)化機(jī)制，并對(duì)典型的析出強(qiáng)化Cu合金(Cu- ni - si、Cu- ti和Cu- cr - zr合金)進(jìn)行了全面的綜述。在此基礎(chǔ)上，展望了含HSC銅合金的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。本篇綜述中，概述了電導(dǎo)率和析出強(qiáng)化銅合金強(qiáng)度之間的關(guān)系，可以得出下列結(jié)論和展望。析出強(qiáng)化仍然是設(shè)計(jì)含HSC銅合金的主要原理。然而，傳統(tǒng)工藝和合金元素在突破強(qiáng)度-電導(dǎo)率-電導(dǎo)率權(quán)衡方面存在局限性。近年來(lái)在非均相組織設(shè)計(jì)和控制方面取得的進(jìn)展表明，這些合金的綜合性能有望得到提高，包括多尺度結(jié)構(gòu)、梯度晶粒結(jié)構(gòu)、雙峰晶粒組織、層狀納米結(jié)構(gòu)等。析出強(qiáng)化Cu合金的特殊組織對(duì)合金的析出行為和力學(xué)性能都有顯著的影響。解決強(qiáng)度和導(dǎo)電性之間的權(quán)衡至關(guān)重要，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和導(dǎo)電性，以滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用中對(duì)這些性能日益增長(zhǎng)的需求。析出行為是影響析出強(qiáng)化Cu合金力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。進(jìn)一步深入研究這三種Cu合金中析出相的演變，包括析出相與Cu基體的取向關(guān)系。而控制析出相的形核、生長(zhǎng)和分布，使強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大化，則需要深入研究，是未來(lái)研究的關(guān)鍵方向。相關(guān)研究成果以題為“Recent development of advanced precipitation-strengthened Cu alloys with high strength and conductivity: A review”發(fā)表在Progress in Materials Science上。鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642523000737
圖1。圓盤(pán)狀Ni2Si顆粒在Cu基體三角形棱柱體中的排列(a)(b)盤(pán)面平行于滑移面，(c)(d)盤(pán)面垂直于滑移面。 圖18。C70250合金帶材在不同工藝下的透射電鏡組織。(一)鑄的;(b) RTR位錯(cuò);(c)低溫軋制位錯(cuò);(d)低溫滾動(dòng)剪切帶;(e)低溫軋制-時(shí)效處理析出階段;(f)低溫軋制時(shí)效處理HRTEM圖像圖 17.Cu-4.93Ni-1.07Si合金經(jīng)過(guò)（A）熱壓燒結(jié)，（B）固溶處理，（C）和（D）固溶+時(shí)效處理后的顯微組織 圖 19.Cu-3.2Ni-0.7Si-0.1Cr合金的不同熱處理路徑示意圖圖 21.在兩種加工路線(xiàn)加工的合金中，（a）拉伸強(qiáng)度和（b）電導(dǎo)率隨最終時(shí)效時(shí)間的變化
圖31。工藝1處理的Cu-3.18Ti (wt.%)合金在400℃下不同時(shí)間的時(shí)效曲線(xiàn):(a)硬度;(b)電導(dǎo)率。
圖32。工藝2處理Cu-3.18Ti (wt.%)合金在400℃下不同時(shí)間的時(shí)效曲線(xiàn):(a)硬度;(b)電導(dǎo)率。
圖34。450℃等溫時(shí)效80%冷軋Cu-Cr系合金的硬度(a)和電導(dǎo)率(b)
圖35。Cu-Cr-Zr合金的顯微組織(a)溫?cái)D壓(粗晶狀態(tài))，(b)溫?cái)D壓- HPT工藝，(c) 450℃時(shí)效1h 圖38。退火后ARB Cu/Cu- Cr - Zr層狀復(fù)合材料的典型微觀(guān)結(jié)構(gòu)(a) DHLedCu/Cu- Cr - Zr層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖;DHLed Cu/Cu- Cr - Zr層狀復(fù)合材料的截面光學(xué)顯微鏡(b)和SEM-BSE圖像(c);(d) Cu/Cu- Cr - Zr界面TEM顯微圖。圖39。電導(dǎo)率與析出強(qiáng)化銅合金強(qiáng)度的關(guān)系。技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致對(duì)性能優(yōu)異的銅合金的需求增加。某些應(yīng)用要求耐高溫軟化、耐腐蝕、抗氧化、抗應(yīng)力松弛、可彎曲性、殘余應(yīng)力、可焊性、線(xiàn)膨脹系數(shù)和焊接性能。開(kāi)發(fā)具有HSC等優(yōu)異綜合性能的新型銅合金勢(shì)在必行。利用HSC開(kāi)發(fā)銅合金旨在為大規(guī)模集成電路引線(xiàn)框架材料、電力和機(jī)械制造等工業(yè)應(yīng)用提供低成本、高性能的導(dǎo)電銅合金。然而，通過(guò)高壓扭轉(zhuǎn)和等道角壓等方法制備具有超細(xì)晶粒的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性Cu合金在大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用方面存在挑戰(zhàn)，且生產(chǎn)成本高于傳統(tǒng)鑄造方法。因此，未來(lái)銅合金的發(fā)展必須在探索新型制備方法的同時(shí)考慮大規(guī)模工業(yè)化和生產(chǎn)成本。
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