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北京科技大學《JMST》：屈服377 MPa，延伸率為8 %！引入雙峰晶粒結構實現Cu合金強度-塑性權衡！

2023-08-23 16:51:42 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：彌散強化銅合金可以獲得超高強度，但通常以犧牲延展性為代價。本研究通過引入雙峰晶粒結構，實現了一種克服Cu合金強度-塑性權衡的策略。采用機械合金化結合放電等離子燒結技術成功制備了Ta含量僅為0.5 at .%的Cu - Ta合金。采用一步球磨法和兩步球磨法制備的樣品分別命名為Cu - Ta (Ⅰ)和Cu - Ta (Ⅱ)。顯微組織表征表明，Cu - Ta合金中獲得了超細等軸晶，且Ta析出相均勻彌散分布。在Cu - Ta (Ⅰ)中獲得了屈服強度為377 MPa，延伸率為8 %的高強度。通過兩步球磨法成功地在Cu - Ta (Ⅱ)中引入了由細晶區和粗晶區組成的雙峰晶粒結構，屈服強度( 463 MPa )和延伸率(~15 % )均得到了顯著的協同增強。隨著退火時間的增加，Cu-Ta (Ⅰ)和Cu - Ta (Ⅱ)的硬度值幾乎保持不變，Cu-Ta (Ⅰ)和Cu - Ta的軟化溫度也基本保持不變。這表明Cu - 0.5 at.% Ta合金具有優異的熱穩定性和優異的抗軟化性能。具有半共格結構的Ta納米團簇在增強合金的強度和組織穩定性方面起著至關重要的作用。雙峰結構有利于背應力強化的激活和微裂紋的萌生和擴展，從而獲得強度和延伸率的非凡組合。本研究為制備具有高強度、高延伸率、優異熱穩定性和抗軟化性能的彌散強化Cu合金提供了新的途徑，在未來聚變堆領域具有潛在的應用價值。

銅基合金因其超高的強度和優異的導熱性能，被選為聚變堆高熱流密度應用部件的可行候選材料，尤其是沉淀強化銅( PS-Cu )合金和彌散強化銅( DS-Cu )合金。隨著聚變堆的發展，與國際熱核反應堆( ITER )的熱負荷( 10MW / m2 )相比，示范堆( DEMO )的熱沉材料必須在更高的熱負荷下服役。同時，為了安全運行，對其力學性能提出了更高的要求，如更高的強度和熱穩定性。未來聚變反應堆有必要開發在高溫條件下服役的新型銅合金。近年來，難混溶Cu - Ta合金由于具有高的機械強度、優異的熱穩定性和低的蠕變速率等前所未有的性能而備受關注。Darling等人采用高能低溫機械合金化結合等通道轉角擠壓制備了納米晶Cu - 10at.% Ta合金，并且發現從原子尺度的共格團簇到達到幾個納米的非共格團簇的Ta析出物在超常的微結構穩定性中起著有利的作用。Ta納米團簇也被認為是重要的增強體，在Cu - Ta合金的強度貢獻中占主導地位。最近，斯里尼瓦桑等報道了Cu - Ta合金的拉伸力學性能，對于Cu - 1 at.% Ta合金，當Ta含量超過5 at.%時，合金變脆，抗拉強度接近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機械合金化結合等通道轉角擠壓的方法制備，工藝相對復雜。此外，Ta的含量高，價格昂貴。這些問題成為發展Cu - Ta合金大批量生產面臨的主要挑戰。因此，在保持較高的強度和良好的組織穩定性的前提下，為了降低成本，有必要降低Ta含量，有效簡化Cu - Ta合金的制備和加工工藝。

機械合金化由于具有高能量使Cu和Ta之間形成更高的亞穩固溶體的能力，已被證實是制備Cu - Ta合金體系的一種簡單有效的方法。同時，在機械合金化過程中可以有效細化晶粒，顯著提高位錯密度。值得注意的是，即使在接近Cu的Tm的溫度下，Ta原子在Cu晶格內的擴散也非常緩慢，Ta原子傾向于在晶界處偏聚，這導致Cu - Ta合金的脆性增加，性能惡化。為保證服役過程中的安全運行，采取有效措施提高Cu合金的力學性能，尤其是延展性是極為必要的。一些旨在打破銅合金強塑折衷慣例的工作已經開展。張教授等人在Cu - 2.03 wt.% Al₂O₃合金中引入極少量的Ti來改善Al₂O₃ / Cu界面結合和基體晶粒組織，延伸率從- 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數量的不銹鋼球球磨制備了Cu - 5 vol . % Al₂O₃合金，獲得了7.5 %的延伸率。迄今為止，報道最多的DS - Cu合金的延展性仍然較低，因此有必要進一步探索提高Cu合金延展性的新方法，以獲得強度和延伸率的優異組合。

北京科技大學常永勤教授團隊對此進行了研究，設計并制備了Ta含量僅為0.5 at . %的Cu - Ta合金，采用常規機械合金化和放電等離子燒結( SPS )結合熱軋工藝制備。此外，通過兩步球磨法的新型機械合金化方法，在Cu - 0.5 at . % Ta合金中成功引入了雙峰晶粒結構。詳細研究了其微觀結構、力學性能、熱穩定性和抗軟化性能，并對相關機理進行了探討。相關研究成果以題為“Enhanced mechanical property by introducing bimodal grains structures in Cu-Ta alloys fabricated by mechanical alloying”發表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。