導(dǎo)讀：彌散強(qiáng)化銅合金可以獲得超高強(qiáng)度，但通常以犧牲延展性為代價(jià)。本研究通過引入雙峰晶粒結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種克服Cu合金強(qiáng)度-塑性權(quán)衡的策略。采用機(jī)械合金化結(jié)合放電等離子燒結(jié)技術(shù)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(xì)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(qiáng)度為377 MPa，延伸率為8 %的高強(qiáng)度。通過兩步球磨法成功地在Cu - Ta (Ⅱ)中引入了由細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)組成的雙峰晶粒結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度( 463 MPa )和延伸率(~15 % )均得到了顯著的協(xié)同增強(qiáng)。隨著退火時(shí)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(yōu)異的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗軟化性能。具有半共格結(jié)構(gòu)的Ta納米團(tuán)簇在增強(qiáng)合金的強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性方面起著至關(guān)重要的作用。雙峰結(jié)構(gòu)有利于背應(yīng)力強(qiáng)化的激活和微裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而獲得強(qiáng)度和延伸率的非凡組合。本研究為制備具有高強(qiáng)度、高延伸率、優(yōu)異熱穩(wěn)定性和抗軟化性能的彌散強(qiáng)化Cu合金提供了新的途徑，在未來聚變堆領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

銅基合金因其超高的強(qiáng)度和優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，被選為聚變堆高熱流密度應(yīng)用部件的可行候選材料，尤其是沉淀強(qiáng)化銅( PS-Cu )合金和彌散強(qiáng)化銅( DS-Cu )合金。隨著聚變堆的發(fā)展，與國際熱核反應(yīng)堆( ITER )的熱負(fù)荷( 10MW / m2 )相比，示范堆( DEMO )的熱沉材料必須在更高的熱負(fù)荷下服役。同時(shí)，為了安全運(yùn)行，對其力學(xué)性能提出了更高的要求，如更高的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。未來聚變反應(yīng)堆有必要開發(fā)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(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和低的蠕變速率等前所未有的性能而備受關(guān)注。Darling等人采用高能低溫機(jī)械合金化結(jié)合等通道轉(zhuǎn)角擠壓制備了納米晶Cu - 10at.% Ta合金，并且發(fā)現(xiàn)從原子尺度的共格團(tuán)簇到達(dá)到幾個(gè)納米的非共格團(tuán)簇的Ta析出物在超常的微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中起著有利的作用。Ta納米團(tuán)簇也被認(rèn)為是重要的增強(qiáng)體，在Cu - Ta合金的強(qiáng)度貢獻(xiàn)中占主導(dǎo)地位。最近，斯里尼瓦桑等報(bào)道了Cu - Ta合金的拉伸力學(xué)性能，對于Cu - 1 at.% Ta合金，當(dāng)Ta含量超過5 at.%時(shí)，合金變脆，抗拉強(qiáng)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(jī)械合金化結(jié)合等通道轉(zhuǎn)角擠壓的方法制備，工藝相對復(fù)雜。此外，Ta的含量高，價(jià)格昂貴。這些問題成為發(fā)展Cu - Ta合金大批量生產(chǎn)面臨的主要挑戰(zhàn)。因此，在保持較高的強(qiáng)度和良好的組織穩(wěn)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(jī)械合金化由于具有高能量使Cu和Ta之間形成更高的亞穩(wěn)固溶體的能力，已被證實(shí)是制備Cu - Ta合金體系的一種簡單有效的方法。同時(shí)，在機(jī)械合金化過程中可以有效細(xì)化晶粒，顯著提高位錯(cuò)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(nèi)的擴(kuò)散也非常緩慢，Ta原子傾向于在晶界處偏聚，這導(dǎo)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(yùn)行，采取有效措施提高Cu合金的力學(xué)性能，尤其是延展性是極為必要的。一些旨在打破銅合金強(qiáng)塑折衷慣例的工作已經(jīng)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(jié)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(shù)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(bào)道最多的DS - Cu合金的延展性仍然較低，因此有必要進(jìn)一步探索提高Cu合金延展性的新方法，以獲得強(qiáng)度和延伸率的優(yōu)異組合。

北京科技大學(xué)常永勤教授團(tuán)隊(duì)對此進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并制備了Ta含量僅為0.5 at . %的Cu - Ta合金，采用常規(guī)機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)( SPS )結(jié)合熱軋工藝制備。此外，通過兩步球磨法的新型機(jī)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(jié)構(gòu)。詳細(xì)研究了其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和抗軟化性能，并對相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了探討。相關(guān)研究成果以題為“Enhanced mechanical property by introducing bimodal grains structures in Cu-Ta alloys fabricated by mechanical alloying”發(fā)表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223006643

圖1 . Cu-Ta (Ⅰ)和Cu - Ta (Ⅱ)的制備工藝。

圖2 . Cu-Ta (Ⅰ)和Cu - Ta (Ⅱ)的XRD圖譜。

圖3 . Cu-Ta (Ⅰ)的EBSD結(jié)果：( a )反極圖，( b ) HGBs和LGBs的比例，( c )平均晶粒尺寸的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖4 . Cu-Ta (Ⅱ)的EBSD結(jié)果：( a )反極圖，( b ) HGBs和LGBs的比例，( c )細(xì)晶和( d )粗晶的平均晶粒尺寸的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖5 . ( a ~ c ) Cu-Ta (Ⅰ)微觀結(jié)構(gòu)的TEM照片，( d ) Cu，Ta，O和C元素的HAADF - STEM照片和相應(yīng)的EDS元素分布圖。

圖6 . ( a , d) Ta納米團(tuán)簇的高分辨TEM圖像(黃色方框所圍區(qū)域的(插圖為快速傅里葉變換( FFT )圖像)，HRTEM圖像中黃色方框區(qū)域的( b , e)反快速傅里葉變換( IFFT )圖像，( c ) Ta納米團(tuán)簇和( f ) Ta顆粒的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖7 . ( a ~ c ) Cu-Ta (Ⅱ)中的粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)，( d )細(xì)晶區(qū)和( e )粗晶區(qū)中Ta析出相的彌散，( f )細(xì)晶區(qū)中彌散分布的位錯(cuò)胞。

圖8 . ( a ) Cu-Ta (Ⅰ)和Cu - Ta (Ⅱ)的硬度和( b )工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖9。Cu-Ta (Ⅱ)在塑性變形過程中的微觀組織演變圖。

圖10 . ( a , b) Cu-Ta (Ⅰ)和( c、d) Cu-Ta (Ⅱ)拉伸試樣斷口形貌。

圖11 . ( a ) 450℃下Cu - Ta (Ⅰ)和Cu - Ta (Ⅱ)的硬度隨退火時(shí)間的變化，( b ) Cu-Ta (Ⅰ)和Cu - Ta (Ⅱ)的硬度隨退火溫度的變化。

圖12。總結(jié)了( a )以機(jī)械合金化為主制備的DS - Cu合金的UTS和EL的其他研究，( b )以機(jī)械合金化為主制備的不混溶Cu合金的維氏硬度和軟化溫度的其他研究。

4 .結(jié)論

采用機(jī)械合金化+放電等離子燒結(jié)+熱軋的方法制備了Cu - 0.5 at.% Ta合金。同時(shí)，本工作采用了一種新型的機(jī)械合金化方法- -兩步球磨法。得出的主要結(jié)論如下：

( 1 )采用兩步球磨法制備彌散強(qiáng)化Cu合金，在Cu - Ta合金中成功引入由細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)組成的雙峰晶粒結(jié)構(gòu)。

( 2 )高密度彌散分布的Ta析出相均勻分布在Cu基體中，包括Ta納米團(tuán)簇和粗大的Ta納米顆粒。具有半共格結(jié)構(gòu)的Ta納米團(tuán)簇在提高合金的強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性方面起著至關(guān)重要的作用。

( 3 )雙態(tài)晶粒結(jié)構(gòu)在抑制微裂紋萌生和擴(kuò)展方面發(fā)揮了重要作用，同時(shí)激發(fā)了背應(yīng)力的作用，最終在Cu - Ta (Ⅱ)中實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度( 463 MPa)和延展性( 15 %的EL)的協(xié)同提高，相比于Cu - Ta (Ⅰ) ( 377 MPa , EL為8 %)顯著提高。

( 4 )Cu-0.5 at . % Ta合金表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，隨著退火時(shí)間的增加，硬度值幾乎保持不變。Cu-Ta (Ⅰ)和Cu - Ta (Ⅱ)的軟化溫度分別達(dá)到1018和1013℃，分別達(dá)到純Cu ( 1083℃)的93.9 %和93.5 % T_m。

( 5 )Cu-0.5 at . % Ta合金具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性，以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和抗軟化性，在未來聚變堆領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。