【摘要】：未來聚變堆偏濾器部件的制造需要高導(dǎo)熱率、高強(qiáng)度和耐離子、中子輻照的高性能熱沉Cu合金。現(xiàn)有沉淀硬化型(PH)和氧化物彌散強(qiáng)化型(DS)銅合金尚不能滿足性能要求。本研究利用Cu-Zr氧化非晶作為中間合金,采用真空熔煉技術(shù)并結(jié)合冷軋和固溶時效處理制備彌散強(qiáng)化型Cu-Zr和Cu-Cr-Zr合金。通過光學(xué)金相、掃描電鏡、電子探針、X射線衍射、透射電鏡和熱分析手段分析了合金的組織形貌、成分、相組成以及組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采用顯微硬度計、單軸拉伸機(jī)與電導(dǎo)率測試儀研究了新合金的室溫力學(xué)和導(dǎo)電性能。論文工作主要研究成果如下:(1)通過熔體快淬技術(shù)獲得Cu_(50)Zr_(50)非晶條帶,并在低于非晶合金的玻璃化轉(zhuǎn)變的特定溫度進(jìn)行氧化處理,獲得了Cu_(50)Zr_(50)氧化非晶中間合金,一部分氧溶入非晶基體,另一部分形成Zr(Cu)基氧化物。(2)以純Cu和Cu_(50)Zr_(50)氧化非晶為原料,配制、熔煉了名義成分為DS Cu-[0.1,0.2,0.3,0.4,0.5]Zr的合金。其鑄態(tài)樣品Cu基體上均勻彌散分布著5 nm大小的面心立方(a=0.37 nm)相,與Cu基體無共格關(guān)系,對位錯產(chǎn)生釘扎;Cu基體晶粒的內(nèi)部與晶界處存在微米大小的富Zr析出物,它呈圓形或長條狀,是面心立方納米相和體心四方(a=b=0.50 nm,c=0.71 nm)粗大相的混合物。經(jīng)固溶時效(980°C-1h,水淬;475°C-2 h,爐冷)處理后,Cu晶粒內(nèi)的長條狀析出物消失,但圓形析出物的數(shù)量與形態(tài)無明顯變化,晶內(nèi)出現(xiàn)了均勻分布的針狀沉淀相;此時晶界變得斷續(xù),并形成了三角晶界。DS Cu-Zr鑄錠經(jīng)80%冷變形軋制后分別在400°C、500°C、600°C、700°C下進(jìn)行1h的退火處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn):400°C退火樣品的顯微硬度高出軋制態(tài)~10 HV,退火態(tài)樣品的硬度隨退火溫度升高而降低,700°C退火樣品硬度與原始鑄錠基本持平(60HV)。軋制態(tài)樣品的室溫電導(dǎo)率優(yōu)于同成分的原始鑄態(tài)樣品,與鑄態(tài)相似,樣品的電導(dǎo)能力隨合金Zr含量的增大而逐漸降低。DS Cu-Zr合金的室溫抗拉強(qiáng)度隨著Zr含量增加而增大,其中,DS Cu-0.5Zr合金的室溫抗拉強(qiáng)度為416 MPa,延伸率為3.0%,拉伸斷口上形成了大量韌窩,其中發(fā)現(xiàn)有圓形析出物聚集。(3)通過少量Cr的添加,用相同技術(shù)與流程制備了名義成分為DS Cu-0.75Cr-[0.1,0.2,0.3]Zr的合金。它們的鑄錠金相組織特征與無Cr的DS Cu-Zr的類似,但其Cu晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了微納尺寸的富Cr相粒子聚集,富Zr析出物附近也存在少量富Cr相粒子。DS Cu-0.75Cr-[0.1,0.3]Zr合金經(jīng)固溶時效處理(同無Cr合金)后,晶界與基體上仍有富Cr相粒子存在,但富Zr析出物基本消失。透射電鏡研究發(fā)現(xiàn),Cu基體上彌散、均勻分布著大量納米相,伴隨有位錯釘扎。這些納米析出相主要有兩種形態(tài):一種是厚度約2 nm、取向相同、平行排列、均勻分布的長條狀沉淀,大量分布在Cu基體上;另一種為先前發(fā)現(xiàn)的面心立方(a=0.37 nm)納米相,富集在幾十納米厚的平直晶界上。這兩種納米相的成分與晶體結(jié)構(gòu)未能完全確定,它們的協(xié)同強(qiáng)化造成固溶時效后合金的顯微硬度顯著增加,其中DS Cu-0.75Cr-0.2Zr室溫顯微硬度達(dá)149 HV,其電導(dǎo)率高達(dá)84.8%IACS。DS Cu-Cr-Zr合金鑄錠經(jīng)冷變形后性能得到優(yōu)化,例如,DS Cu-0.75Cr-0.1Zr合金的室溫抗拉強(qiáng)度為412 MPa,斷裂延伸率約9%,平均電導(dǎo)率為31.8%IACS。固溶時效處理后材料的顯微硬度與抗拉強(qiáng)度稍有下降,但室溫塑性變形能力有顯著提升。其中,DS Cu-0.75Cr-0.2Zr合金抗拉強(qiáng)度約382 MPa,延伸率達(dá)32%,電導(dǎo)率約83.8%IACS。合金的強(qiáng)度和相同處理工藝下的ITER級Cu-Cr-Zr合金相當(dāng),但塑性顯著改善,電導(dǎo)率也略微提高。本研究利用新的工藝方法獲得了彌散強(qiáng)化型Cu-Cr-Zr合金具有與ITER級核聚變用CuCrZr合金相當(dāng)?shù)氖覝貜?qiáng)度和導(dǎo)電率,但室溫塑性更優(yōu)。目前還需進(jìn)一步澄清納米彌散相的強(qiáng)化機(jī)制,同時結(jié)合中間合金的成分調(diào)控和整體制備工藝的優(yōu)化,獲得更優(yōu)性能的熱沉Cu合金,為后期抗高溫蠕變、離子/中子輻照等性能測試提供備選材料。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL627;TG146.11

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本文編號：2761588