【背景介紹】

高強度導電銅合金在汽車工業，鐵路工業和電子電氣工業中具有不可或缺的地位。近些年來，一系列諸如：Cu-Ni-Sn，Cu-Cr-Ag和Cu-Ni-Al等合金相繼被開發出來，用于滿足飛速發展的現代化生產需求。然而，現階段的產業化主要以析出強化來強化合金，以犧牲電導率和延展性能來得到高強度，并且隨著過時效，析出相的粗化也導致了合金強度的下降。這一難題在Cu-Ni-Si合金出現后開始打破僵局，基于Cu-Ni-Si的合金具有彌散分布的的δ-Ni2Si納米析出相，在保持高電導率的同時，顯著提高了強度。同時研究表明添加微量Zn，P，Zr，Cr，Al，Mg等第三元素有助于改變微觀組織帶來額外的性能提升。本文作者通過添加微量的Ti來改變Cu-Ni-Si-（Ti）合金在熱處理過程中微觀組織的變化，以期帶來更優的性能，對新型銅合金的設計奠定實驗基礎。

【內容簡介】

日前，中南大學李周教授銅合金研究團隊成員雷前副教授研究小組在 Rare Metals 上發表了題為“Microstructure and properties of high-strength Cu–Ni–Si–（Ti） alloys”的研究文章，在傳統的Cu-Ni-Si合金中添加微量的Ti，得到了具有不同強化機制的新型抗時效高強高導銅合金。

【圖文解析】

本文選取純Cu，純Ni，純Si和純Ti，分別按照Cu-10Ni-2Si-2Ti（in wt.%）和Cu-10Ni-2Si（in wt.%）在中頻感應爐熔化，氮氣氛圍中鑄造合金，然后經過一系列形變及熱處理制備了合金，然后對其結構演變進行了表征，對其性能進行了測試。

圖1 （a）Cu-Ni-Si和Cu-Ni-Si-Ti的X射線衍射峰；（b）Cu-Ni-Si合金鑄態組織；（c）Cu-Ni-Si-Ti鑄態組織。

上述XRD圖譜結果表明：兩種鑄態合金中都存在δ-Ni2Si相，不同的是，Cu-10Ni-2Si-2Ti（in wt%）鑄態合金中額外存在Cu4Ti相。Cu-10Ni-2Si鑄態合金中存在發達的枝晶組織，枝晶間有非平衡第二相，而Cu-Ni-Si-Ti合金中枝晶組織得到了抑制，晶粒更加細小均勻。

圖2  Cu-Ni-Si合金不同加工工藝對硬度與電導率影響（a）（d）熱軋+冷軋+時效工藝下時效時長與硬度和電導率關系；（b）（e）熱軋+固溶+時效工藝下時效時長與硬度和電導率關系；（c）（f）熱軋+固溶+冷軋+時效工藝下時效時長與硬度和電導率關系。

上述Cu-Ni-Si合金硬度和電導率隨著時效時間的變化曲線表明：熱軋+固溶+冷軋+時效工藝能夠得到最高的硬度，但對時效十分敏感，硬度迅速達到最高（~HV 340）并快速下降。熱軋+冷軋+時效工藝能得到最高的電導率（46% IACS）。隨著時效時常增加，電導率持續增長，硬度則在峰時效之后開始下降。

圖3  Cu-Ni-Si-Ti合金不同加工工藝對硬度與電導率影響（a）（d）熱軋+冷軋+時效工藝下時效時長與硬度和電導率關系；（b）（e）熱軋+固溶+時效工藝下時效時長與硬度和電導率關系；（c）（f）熱軋+固溶+冷軋+時效工藝下時效時長與硬度和電導率關系。

上述Cu-Ni-Si-Ti合金硬度和電導率隨著時效時間的變化曲線表明：與Cu-Ni-Si合金相比，Cu-Ni-Si-Ti能更快地達到峰時效。雖然最大硬度（~HV 265）低于Cu-Ni-Si合金，但在峰時效之后硬度下降更為緩慢，表現了更為優良的抗過時效能力。

圖4  熱軋+固溶+冷軋工藝下450℃時效（a）Cu-Ni-Si合金拉伸應力與應變關系；（b）Cu-Ni-Si-Ti合金拉伸應力與應變關系。

上述拉伸工程應力-工程應變曲線表明：對于熱軋+固溶+冷軋工藝的Cu-Ni-Si合金，最大抗拉強度855.9 Mpa，延伸率17.9%。對于熱軋+固溶+冷軋工藝的Cu-Ni-Si-Ti合金，最大抗拉強度764.4 MPa，屈服強度622.3 MP，延伸率10.4%。

圖5  熱軋+固溶+冷軋工藝下450℃時效（a）Cu-Ni-Si合金應變硬化與應變關系；（b）Cu-Ni-Si-Ti合金應變硬化與應變關系。

上述應變硬化與應變的關系曲線表明：在熱軋+固溶+冷軋工藝下進行時效后，過時效的Cu-Ni-Si合金表現出更強的應變強化，欠時效的Cu-Ni-Si-Ti表現出更強的應變強化。整體而言，Cu-Ni-Si有著更強的塑性應變，更明顯的應變強化，而Cu-Ni-Si-Ti則更脆。圖片

圖6：Cu-Ni-Si alloy

圖7：Cu-Ni-Si -Ti alloy

圖6Cu-Ni-Si合金（左）和圖7Cu-Ni-Si-Ti合金（右）斷口組織形貌掃描電子顯微鏡照片 （a）未時效；（b）欠時效；（c）峰時效；（d）過時效。

上述掃描電子顯微鏡照片表明：Cu-Ni-Si合金的斷口中能觀察到零星的準解離斷裂和撕裂嶺，表面均勻分布了較大的韌窩組織，隨著時效時間增長，韌窩逐漸變大，韌窩底具有Ni2Si。Cu-Ni-Si-Ti合金的斷口組織更多表現為晶間斷裂和準解離斷裂，斷口表面較為光滑，隨著時效時間增加，析出物在晶間分布。Ti的添加顯著改變了Cu-Ni-Si合金的斷裂失效模式。

Cu-Ni-Si alloy

Cu-Ni-Si-Ti alloy

圖8  Cu-Ni-Si合金（左）在450℃下時效30和60min透射電鏡圖片：（a）（d）明場像；（b）（e）暗場像；（c）（f）選區電子衍射花樣。Cu-Ni-Si-Ti合金（右）在450℃下時效30和180min透射電鏡圖片：（a）（d）明場像；（b）（e）暗場像；（c）（f）選區電子衍射花樣。

透射電鏡結果表明：隨著時效時間增長，越來越多的δ-Ni2Si在Cu-Ni-Si中析出，在選取電子衍射中可以同時觀測到Cu基底和析出的δ-Ni2Si。Cu-Ni-Si-Ti合金中出現了大量的位錯。選區電子衍射無法觀察到明顯的δ-Ni2Si和Cu4Ti，證明在Cu-Ni-Si-Ti中形成了更為微觀的結構。結果證明Ti的添加改變了Cu-Ni-Si合金的強化機制，可以引入了更多的位錯和彌散的第二相，雖然結果并不利于提升合金的機械強度，但是給我們設計新的合金提供了思路。

【全文小結】

在Cu-Ni-Si合金中添加微量的Ti可以顯著細化鑄態組織晶粒；

Ti的添加延緩了合金在峰時效之后的強度下降；

Ti的添加改變了合金的強化機制，組織被細化形成了更微觀的結構；

增加了我們對用Ti來強化銅合金的理解。

【文獻鏈接】

Yang, YH., Li, SY., Cui, ZS. et al. Microstructure and properties of high-strength Cu–Ni–Si–（Ti） alloys. Rare Met. （2021）

https://doi.org/10.1007/s12598-020-01699-5

【作者簡介】

雷前，男，中南大學副教授，博士生導師。2003-2014年在中南大學先后獲得材料物理與化學專業學士、碩士和博士學位；2018年獲湖南省優秀博士學位論文。2013年至2014年在德國亞琛工業大學任訪問學者；2015年至2018年在美國密西根大學安娜堡分校任博士后研究員。2018年1月歸國任教于粉末冶金國家重點實驗室。主要從事金屬材料（銅合金、高溫合金和鋁合金）的成分設計、制備加工、結構表征和性能評價的研究，已經結合材料基因工程和高通量表征等方法先后開發多種新型金屬材料。先后主持和參與國家磁約束核聚變能發展研究重點研發專項、國家自然科學基金面上項目、德國-中國DAAD國際合作科研項目、美國能源部（DOE）基礎研究項目、美國密西根大學-福特汽車公司聯盟項目、湖南省自然科學基金重點項目等10余個項目研究。在國際期刊上發表SCI論文60余篇，他引2300余次，H影響因子19。申請國家發明專利6項（已授權4項）。現任美國TMS會員、中國機械工程學會材料分會材料物理模擬與數值模擬專業委員會委員、國際期刊 Int. J. Metall. Mater. Eng.編委、以及Acta Mater.等多個雜志通訊評審人。