高強高導(dǎo)Cu-Cr-Zr系合金制備新工藝及理論研究.pdf

1、為了解決Cu-Cr-Zr系合金的非真空熔鑄和板帶加工成型的技術(shù)難題，本文分別對Cu-Cr-Zr系合金的非真空熔鑄、微觀組織演變、熱變形行為、帶材特征織構(gòu)等方面進行了理論探討。設(shè)計了一套非真空熔鑄系統(tǒng)，確定了最佳熔鑄和形變熱處理工藝參數(shù)。 以吉布斯自由能為判據(jù)，從熱力學(xué)上分析了鉻和鋯元素在熔煉環(huán)境下可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；并從動力學(xué)方面研究了在熔煉環(huán)境下的合金組元之間擴散和化學(xué)反應(yīng)過程。研究表明：在非真空熔煉和鑄造過程中，鉻和鋯元素與

2、氧氣、氮氣、氫氣、石墨、爐襯材料等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造渣損失；提出了適合于非真空條件下Cu-Cr-Zr系合金的熔煉氣氛、爐襯材料、脫氧劑等，設(shè)計了相應(yīng)的熔煉設(shè)備。并進行了多次熔鑄實驗，Cr組元和Zr組元的平均燒損率分別9.69％和9.70％，合金組織潔凈。 采用CALPHAD(Calculation of Phase Diagram)技術(shù)，對低溶質(zhì)Cu-Cr-Zr體系進行了相平衡熱力學(xué)計算，預(yù)測了合金在鑄造、熱軋和時效溫度下可能的析

3、出相和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以此指導(dǎo)研制合金的化學(xué)成分設(shè)計。計算結(jié)果表明：在低溶質(zhì)Cu-Cr-Zr系合金的形變熱處理過程中主要存在Cu相、Cr相和CusZr相；當(dāng)Cr/Zr≥3.5時，Cr相為主要析出相；當(dāng)Cr/Zr≤3.5時，CusZr相為主要析出相。 利用OM(Optical Microscopy)和HRTEM(High ResolutionTransmission Electron Microscopy)觀察了所設(shè)計合金在鑄造、固溶和

4、時效等工序中析出相的演變。研究結(jié)果表明：當(dāng)Cr含量較高時，在鐵模鑄造過程會析出大量的Cr相，并偏聚于晶界，加快鑄造過程的冷卻速度會抑制Cr相的析出和偏聚。鑄造時析出的Cr相在固溶處理過程中不會完全返溶，有的甚至聚集長大。在時效過程中，隨著Cr含量的增加和Cr/Zr值的增大，析出溫度降低、析出速度加快。Cr相在基體中主要以針狀、棒狀、球狀和六邊形四種形態(tài)存在，富鋯相則以不規(guī)則形態(tài)存在；亞穩(wěn)相CrCu2(Zr，Mg)在425℃下時效時分解為

5、Cr相、Cu4Zr和富Mg相。 在Gieeble-1500D熱/力模擬機上對Cu-Cr-Zr系合金進行了熱壓縮實驗，研究了其在變形溫度700℃-820℃和應(yīng)變速率0.01-10s-1條件下的熱變形行為。結(jié)果表明：熱形變過程的流變應(yīng)力可用雙曲正弦本構(gòu)關(guān)系來描述，平均激活能為597.53kJ/mol。根據(jù)材料動態(tài)模型，計算并分析了該合金的加工圖，確定了熱變形的流變失穩(wěn)區(qū)，獲得了實驗參數(shù)范圍內(nèi)的熱變形過程最佳工藝參數(shù)，其熱加工溫度80

6、0-820℃，應(yīng)變速率為0.01-0.1s-1。 采用XRD(X-Rav Diffraction)技術(shù)，對Cu-Cr-Zr系合金的熱軋、固溶、冷軋和時效等工序中織構(gòu)的演變規(guī)律進行研究，檢測不同工序下的板材沿0度(軋向)、45度和90度(橫向)的室溫拉伸性能及導(dǎo)電率，建立該系合金的微觀組織-特征織構(gòu)-室溫力學(xué)性能之間的基本關(guān)系。研究結(jié)果表明：在Cu-Cr-Zr合金板帶中，主要存在著Copper取向、Brass取向、S取向、Goss

7、取向、立方和旋轉(zhuǎn)立方取向。在冷軋過程中，隨著冷變形量的增加，Copper取向逐漸向Brass取向轉(zhuǎn)變，在時效過程中則出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)立方取向。當(dāng)主要取向為Copper取向時，合金板帶0度方向(軋向)的強度和延伸率較高，導(dǎo)電率較低。當(dāng)Copper和Brass取向體積分?jǐn)?shù)相當(dāng)時，合金板帶在0度、45度和90度方向上的性能相差很小。 在上述工作的基礎(chǔ)上，對Cu-Cr-Zr系合金進行了制備工藝參數(shù)優(yōu)化實驗，獲得了一套最佳熔鑄、熱軋、固溶、冷軋