北京科技大學頂刊綜述：IF=48.16，全面總結高強高導電析出強化銅合金的研究進展！
2023-05-22 13:26:05
作者：材料學網 來源：材料學網
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銅因其顯著的性能而備受關注，包括高導電性(EC)和導熱性、優異的耐腐蝕性、可鍍性和良好的機械性能。因此，銅及銅合金在機械制造、交通運輸、電子電氣工程等各個工業部門得到了廣泛的應用。近年來，電子和電氣工業的發展導致對銅合金的需求增加。一方面，集成電路水平的提高導致終端數量的增加，這反過來又對EC和導熱性提出了更高的要求。另一方面，引線框架的厚度需要進一步減小，這就對銅合金的強度提出了更高的要求。然而，幾十年來，研究人員在打破強度和延伸率與高強度和導電性(HSC)之間的權衡方面遇到了挑戰。含HSC的Cu合金的強化機制主要有固溶強化、析出強化、細晶強化和位錯強化。除了沉淀強化外，其他強化機制可能會產生大量的晶體缺陷，從而對EC產生不利影響。因此，如何在不犧牲電導率的前提下大幅度提高合金的強度，一直是銅合金研究領域關注的問題。沉淀強化是實現Cu合金HSC的主要方法。一方面，時效過程中析出相的形成阻礙了位錯的移動，從而提高了強度。從其他方面考慮，析出相的形成降低了合金基體中溶質原子的濃度，導致電子散射減少，從而增加了EC。此外，近年來，利用異質變形誘導(HDI)硬化強化Cu合金的研究也非常廣泛。綜上所述，為了進一步提高Cu合金的綜合性能，有必要開發新型的沉淀強化Cu合金。北京科技大學郭明星教授聯合中鋁科學院婁花芬教授等人為了在析出強化Cu合金中獲得優異的強度、EC和彈性，綜述了含HSC的先進Cu合金的最新研究進展，重點關注成分、組織和析出行為的控制，重點研究了HSC在Cu合金中的強化機制，并對典型的析出強化Cu合金(Cu- ni - si、Cu- ti和Cu- cr - zr合金)進行了全面的綜述。在此基礎上，展望了含HSC銅合金的未來發展趨勢。本篇綜述中，概述了電導率和析出強化銅合金強度之間的關系，可以得出下列結論和展望。析出強化仍然是設計含HSC銅合金的主要原理。然而，傳統工藝和合金元素在突破強度-電導率-電導率權衡方面存在局限性。近年來在非均相組織設計和控制方面取得的進展表明，這些合金的綜合性能有望得到提高，包括多尺度結構、梯度晶粒結構、雙峰晶粒組織、層狀納米結構等。析出強化Cu合金的特殊組織對合金的析出行為和力學性能都有顯著的影響。解決強度和導電性之間的權衡至關重要，以同時實現高強度和導電性，以滿足工業應用中對這些性能日益增長的需求。析出行為是影響析出強化Cu合金力學性能的關鍵因素。進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基體的取向關系。而控制析出相的形核、生長和分布，使強度貢獻最大化，則需要深入研究，是未來研究的關鍵方向。相關研究成果以題為“Recent development of advanced precipitation-strengthened Cu alloys with high strength and conductivity: A review”發表在Progress in Materials Science上。鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642523000737
圖1。圓盤狀Ni2Si顆粒在Cu基體三角形棱柱體中的排列(a)(b)盤面平行于滑移面，(c)(d)盤面垂直于滑移面。 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;(c)低溫軋制位錯;(d)低溫滾動剪切帶;(e)低溫軋制-時效處理析出階段;(f)低溫軋制時效處理HRTEM圖像圖 17.Cu-4.93Ni-1.07Si合金經過（A）熱壓燒結，（B）固溶處理，（C）和（D）固溶+時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.在兩種加工路線加工的合金中，（a）拉伸強度和（b）電導率隨最終時效時間的變化
圖31。工藝1處理的Cu-3.18Ti (wt.%)合金在400℃下不同時間的時效曲線:(a)硬度;(b)電導率。
圖32。工藝2處理Cu-3.18Ti (wt.%)合金在400℃下不同時間的時效曲線:(a)硬度;(b)電導率。
圖34。450℃等溫時效80%冷軋Cu-Cr系合金的硬度(a)和電導率(b)
圖35。Cu-Cr-Zr合金的顯微組織(a)溫擠壓(粗晶狀態)，(b)溫擠壓- HPT工藝，(c) 450℃時效1h 圖38。退火后ARB Cu/Cu- Cr - Zr層狀復合材料的典型微觀結構(a) DHLedCu/Cu- Cr - Zr層狀復合材料結構示意圖;DHLed Cu/Cu- Cr - Zr層狀復合材料的截面光學顯微鏡(b)和SEM-BSE圖像(c);(d) Cu/Cu- Cr - Zr界面TEM顯微圖。技術的進步導致對性能優異的銅合金的需求增加。某些應用要求耐高溫軟化、耐腐蝕、抗氧化、抗應力松弛、可彎曲性、殘余應力、可焊性、線膨脹系數和焊接性能。開發具有HSC等優異綜合性能的新型銅合金勢在必行。利用HSC開發銅合金旨在為大規模集成電路引線框架材料、電力和機械制造等工業應用提供低成本、高性能的導電銅合金。然而，通過高壓扭轉和等道角壓等方法制備具有超細晶粒的高強度、高導電性Cu合金在大規模工業應用方面存在挑戰，且生產成本高于傳統鑄造方法。因此，未來銅合金的發展必須在探索新型制備方法的同時考慮大規模工業化和生產成本。
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