Cu-Be-Ni-Cr-Zr合金中的多尺度建筑协同效应

《Materials Science and Engineering: A》：Multiscale architectural synergy in Cu-Be-Ni-Cr-Zr alloys

粉末冶金Cu-Be-Ni-Cr-Zr合金经950℃固溶处理和400℃时效240分钟后，获得299.8 HV微硬度、960.76 MPa抗拉强度及29.08%IACS导电性，多尺度沉淀相（纳米γ''/γ'、~100nm Be21Ni5、~800nm Cr BCC、纳米ZrNi3/Cu5Zr）协同强化机制主导强度提升，同时通过界面效应降低电子散射，实现强度与导电性突破性平衡。

　　

牛卓哲|王佩|马如龙|郝振华|舒永春|何吉林

郑州大学材料科学与工程学院，中国郑州，450001

摘要

通过对粉末冶金加工的Cu-Be-Ni-Cr-Zr合金的固溶处理和时效处理工艺进行系统研究，本文阐明了其沉淀相的形成和强化机制。系统优化表明，950°C（固溶处理）和400°C（时效处理）是该合金的最佳处理温度。在最佳时效条件下（400°C/240分钟），Cu-Be-Ni-Cr-Zr合金的显微硬度为299.8 HV，抗拉强度为963.49 MPa，电导率为29.08 %IACS。透射电子显微镜（TEM）分析显示，合金中存在多种尺度的沉淀物：纳米级的γ″和γ′相；约100纳米的Be₂₁Ni₅相；约800纳米的Cr（体心立方BCC结构）相；以及数十纳米大小的ZrNi₃和Cu₅Zr相。沉淀过程与硬度的变化密切相关。机制分析表明，σ_p是Cu-Be-Ni-Cr-Zr合金的主要强化机制。同时，这种多相微观结构显著提升了合金的电导率和机械强度，使其具备了优异的性能组合。

引言

铍铜（Cu-Be）合金具有高强度和优异的电导率，使其成为电力系统、航空航天和汽车领域的重要材料[[1], [2], [3]]。不同应用对性能有不同的要求：通信开关和屏蔽触点需要600–1500 MPa的强度和5–50 %IACS的电导率，而线束连接器则需要400–800 MPa的强度和10–70 %IACS的电导率。在二元Cu-Be合金中，由于富铍纳米相的沉淀硬化作用和溶质诱导的电子散射作用，强度与电导率之间存在固有的权衡[[4], [5], [6], [7]]。因此，开发同时具有高强度和高电导率的Cu-Be合金仍是材料科学的关键课题。

向Cu-Be合金中添加Ni可以通过固溶强化和沉淀硬化作用进一步提高其强度[[8], [9], [10], [11]]。具体而言，Ni原子替代Cu基体中的晶格位点会引起晶格应变，而Ni-Be金属间化合物则通过Orowan环效应阻碍位错运动。研究表明，少量Cr和Zr的添加可以进一步增强Cu合金的强度（室温下Cr和Zr在Cu中的平衡溶解度极低，分别为约0.03 wt%和0.01 wt%[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]）。因此，即使添加少量的Cr（通常为0.2–1.0 wt%）和Zr（通常为0.1–0.3 wt%），也能在时效处理过程中促使超饱和合金基体中析出纳米级的Cr富集团簇[[12], [13], [14], [15]]和亚稳态的Cu_xZr_y相[[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]]。这种沉淀行为使得合金同时具备高拉伸强度和优异的电导率，这得益于Zener钉扎效应和金属间化合物-基体界面的电子散射减少。

传统的Cu-Be合金熔炼和铸造方法会产生枝晶微观结构不均匀性和明显的晶体织构，这些缺陷会降低机械性能[[7,10,[26], [27], [28], [29]]。而粉末冶金（PM）工艺能够显著提高微观结构的均匀性并减少缺陷，例如消除晶界偏析。这一效果得益于气体雾化（GA）过程中的快速凝固动力学以及烧结过程中的精确参数控制[[30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37]]。

本研究采用粉末冶金方法制备了Cu-0.9Be-1Ni-0.45Cr-0.15Zr（重量百分比）合金，包括氩气保护下的真空感应熔炼（VIGA）制备预合金粉末，然后通过热压烧结（HPS）进行成型，并进行固溶处理和时效处理。通过对Be-Cu合金微观结构与性能之间关系的系统研究，阐明了时效处理过程中微观结构演变机制及其对机械性能提升的作用，为开发下一代Be-Cu合金提供了新的见解。

材料

所制备的Cu-0.9 wt% Be-1 wt% Ni-0.45 wt% Cr-0.15 wt% Zr合金粉末采用VIGA工艺制备。实验使用了纯Cu（99.9 wt%）、Ni（99.9 wt%）、Zr（99.9 wt%）、Cu-10Cr（重量百分比）和Cu-3.8Be（重量百分比）中间合金作为原料。电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，美国Agilent 7700/7800）分析结果显示，该合金的组成为97.483 wt% Cu、0.891 wt% Be、0.980 wt% Ni和0.512 wt% Cr。

结果

XRD分析（补充图S1）显示，烧结后的Cu-Be-Ni-Cr-Zr合金具有Cu固溶体基体以及NiBe金属间化合物和Cr的衍射峰。Cr元素的残留表明其在850°C时效处理过程中未完全溶解。EPMA映射揭示了合金中的元素分布（图3）。优化的烧结参数使合金的相对密度达到99.8%。

沉淀演变过程

Cu-Be-Ni-Cr-Zr合金在时效过程中的沉淀演变过程如图11所示。30分钟时效后，基体中首先析出Be₂₁Ni₅、FCC结构的Cr富集沉淀物和ZrNi₃金属间化合物。进一步延长时效时间至60分钟后，基体中会出现盘状GP区，其单层厚度和横向尺寸约为0.5–2纳米。随后γ″相开始形成。

结论

本研究阐明了采用VIGA工艺制备的HPS Cu-Be-Ni-Cr-Zr合金的微观结构与性能之间的关系。优化后的烧结条件（850°C/30 MPa/30分钟）可得到相对密度为99.8%的合金。随后在950°C进行固溶处理并在400°C下时效240分钟后，合金达到最佳性能：显微硬度为299.8 HV，抗拉强度σ_Y为790.87 MPa，抗拉强度σ_UTS为960.76 MPa，电导率为29.08 %IACS，且具有准解理特性。

作者贡献声明

牛卓哲：撰写初稿、进行正式分析、数据管理。王佩：开展实验研究、进行正式分析。马如龙：开展实验研究。郝振华：撰写文章、进行修订与编辑、方法设计、概念构建。舒永春：结果验证、进行正式分析、数据管理。何吉林：项目监督、资源协调。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢中原关键金属实验室（GJJSGFYQ202302）项目的资助。