熔炼法制备新型弥散强化铜合金及性能研究

摘要

热沉材料是制造核聚变堆水冷偏滤器部件的关键材料之一，需具备优良的导热、高温力学稳定性和抗离子、中子辐照等综合性能。现有弥散增强铜合金（DS-Cu）无法满足未来聚变堆偏滤器热沉材料的服役要求，而且，目前成熟的DS-Cu制备技术主要基于内氧化法，存在工艺流程复杂、周期长、成本高等问题，规模化制备困难。本工作基于未来聚变堆热沉材料的性能需求开展前瞻性研究，提出利用铜基非晶作为中间合金，氧化后与纯铜（铬）混合，再通过非自耗电弧熔炼直接制备纳米粒子弥散强化的Cu合金，工艺简单、高效，有利于实现规模化制备。通过XRD、EPMA、SEM、TEM等技术对其进行了结构、成分和组织表征，并利用拉伸试验机、电导率仪对合金的力学性能和导电性能进行测试。 论文研究主要结果如下： （1）提出了一种DS-Cu的高效制备方法。具体流程包括：非晶合金的制备、氧化以及与纯铜（铬）混合熔炼。典型工艺为：首先采用真空电弧熔炼和熔体快淬法制备CuY非晶中间合金，据其晶化温度，确定相关氧化工艺；然后将氧化后的非晶合金与纯铜（铬）混合，直接真空熔炼，得到不同成分的含Y(Cr)DS-Cu。 （2）室温力学和导电性能测试表明：随着Y含量增加，铸态DS-Cu的电导率从95%IACS（0.2wt.%Y）逐渐下降至87%IACS（0.6wt.%Y）；经室温轧制处理后，合金的电导率稍有下降，但强度明显改善，其中0.3wt.%Y合金的抗拉强度（σb）达622MPa，且为塑性断裂；在950℃退火后，合金的σb将显著下降，并发生了沿晶脆性断裂。因此，向合金中添加0.75wt.%Cr，与无Cr合金相比，添Cr后轧制样品的σb=414MPa，仍为塑性断裂，且固溶时效处理后合金的σb下降至283MPa，比先前无Cr合金的高120MPa，但脆性断裂模式不变，不同的是断口上有少量韧窝形成，这说明Cr的添加将有助于改善合金时效态样品的室温力学性能，但会稍微影响合金的室温电导率，测得该合金的室温电导率值为82±1%IACS。 （3）微结构分析表明：DS-Cu基体上弥散分布球形第二相纳米粒子，其大小在2-10nm之间，这表明该DS-Cu制备新方法的可行性。与无Cr合金相比，含Cr合金时效后晶内析出相明显减少，且晶界形态发生了变化，但晶界析出物依然大量存在，且成分无明显变化。分析表明：晶内析出物是体心四方结构未知相（a=b=0.43nm，c=0.31nm），晶界析出物是面心立方Cu固溶体相和纳米未知相的混合物；含Cr合金中有纳米大小的FCC型富Cr相粒子析出，它们与基体Cu存在明确的共格关系。本研究表明Cr的少量添加会显著影响合金的组织与性能，其作用机制和影响规律值得进一步深入探究。

目录

声明

1 前言

1.1 研究背景及意义

1.2 偏滤器用材选择

1.2.1 PFM的选择

1.2.2 HSM的选择

1.3 弥散强化铜合金（DS-Cu）

1.4 DS-Cu合金的制备

1.4.1内氧化法（Internal Oxidation）

1.4.2机械合金化法（Mechanical Alloying）

1.4.3化学沉淀法（Chemical Precipitation）

1.4.4液相原位反应（In-Situ Reaction at Liquidus Temperature）

1.4.5反应喷射沉积法（Reactive Spray Deposition）

1.4.6 复合铸造法（Compocasting）

1.4.7液相合金混合原位反应法（Mixalloy Process）

1.5 研究目标及内容

2 合金制备及实验方法

2.1 实验方案

2.2 合金的制备

2.2.1 母合金锭的制备

2.2.2 非晶中间合金条带的制备

2.2.3 DS-Cu合金的制备及成型工艺

2.3 微结构表征和性能测试

2.3.1 金相形貌

2.3.2 显微硬度

2.3.3 X射线衍射

2.3.4 热重分析

2.3.5 电子探针成分分析

2.3.6 透射电镜微结构观察

2.3.7 电导率测试

2.3.8 拉伸实验及断口分析

3 非晶合金氧化工艺的探索

3.1 非晶合金成分的选择及结构表征

3.1.1 母合金成分的选择

3.1.2 非晶合金的X射线衍射

3.2 非晶合金的晶化及熔化行为

3.3 DTA模拟非晶合金氧化增重过程

3.4 本章小结

4DS Cu-Y合金的微结构和性能

4.1铸态DS Cu-Y合金的微观组织和显微硬度

4.1.1 铸态合金的金相组织

4.1.2 铸态合金的显微硬度

4.2 轧制态DS Cu-Y合金的微观组织和力学性能

4.2.1 轧制态合金的金相组织

4.2.2 轧制态合金的显微硬度

4.2.3 轧制态合金的拉伸及断口

4.3不同状态下DS Cu-Y合金的电导率

4.4 DSCu-Y合金微结构和成分分析

4.4.1 合金X射线衍射

4.4.2 合金EPMA结果分析

4.4.3 合金TEM微结构观察

4.5 本章小结

5探索Cr元素对DS Cu-Y合金微结构和性能的影响

5.1 DS Cu-Cr-Y合金的金相组织

5.1.1 铸态/时效态合金金相组织

5.1.2 轧制态/时效态合金金相组织

5.2 DS Cu-Cr-Y合金的力学性能

5.2.1 合金显微硬度

5.2.2 合金拉伸及断口

5.3不同状态下DS Cu-Cr-Y合金的电导率

5.4 DSCu-Cr-Y合金的微结构和成分分析

5.4.1 合金X射线衍射

5.4.2 合金EPMA结果分析

5.4.3 合金TEM微结构观察

5.5 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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