基于第一性原理计算的高强高导Cu-Fe原位复合材料时效析出动力学研究

Accelerating the precipitation kinetics of supper-saturated Fe atoms from the Cu matrix is the key for the preparation of high strength and high conductivity deformation processed Cu-Fe in situ composites. Adding a third element to decrease the equilibrium solubility of Fe in the Cu matrix, and increase the diffusion coefficient of the Fe atoms as well is an effective way to solve the problem. The purpose of the research will focus on interactions among alloying element X, Cu and Fe to make clear the effect of the alloying elements on the equilibrium solubility and diffusion coefficient of Fe with the help of the first principles calculations, including the vacancy and/or solutes related calculations for formation energy, formation entropy, migration energy and migration entropy calculations, charge density calculations and density of states calculations. Experiments based on atom probe technology (APT) analysis for Fe concentration evolution in the Cu matrix during aging and synchrotron radiation abnormal small angle X-ray scatters (SRSAXS) analysis coupled with TEM observation for precipitates size evolution will also be carried out to verify the effect of the alloying element. Calculations and experiments of this work will be carried out on the atom-scaled level, which is an in-deep study of conventional microstructure observation and properties measurement. A new method for the aging kinetics research of alloys based on the first principles calculations will also be given. The work is of science and application values and will contribute to the development of high strength and high conductivity Cu-Fe in situ composites and give guidance to the design of new aging alloys.

加速过饱和Fe原子的时效析出动力学过程，是形变Cu-Fe原位复合材料实现高强高导亟待解决的关键科学问题。通过多元合金化，降低Fe的平衡固溶度、提高Fe的扩散系数是解决这一问题的有效途径。本项目围绕第三组元与Cu、Fe原子间的交互作用这一主线，借助第一性原理理论计算，在前期研究基础上，通过开展与溶质或空位相关的形成能、形成熵、迁移能、迁移熵等能量和声子谱计算以及差分电荷密度、态密度等电子结构计算，揭示合金元素对Fe的平衡固溶度和扩散系数的影响机制，构建基于第一性原理计算的合金时效析出动力学过程研究方法；并在此基础上，通过原子探针层析技术和同步辐射反常X射线小角散射实验，从Cu基体的成分演变和析出相的组织演变两方面开展实验验证。本项目将Cu-Fe原位复合材料的研究从组织与性能调控拓展深入到原子层面的计算与实验，为高强高导Cu-Fe原位复合材料的研制提供理论基础和方法指导。

Cu-Fe 合金由于其较高的强度和低廉的价格被广泛应用于引线框架、 磁体线圈和其它电子元件的制备。 然而， Fe 在 Cu 中固溶度相对较高， 同时其低温下中的扩散速度慢， 导致非平衡常规凝固条件下， Cu基体中存在大量过饱和 Fe 原子，引起强烈的杂质散射，严重降低 Cu 合金的电导率。因此，如何促进 Cu 基体中过饱和固溶 Fe 原子的析出， 优化 Cu-Fe 材料的强度和电导率，一直是 Cu-Fe 合金研究的热点。多元合金化是改善 Cu-Fe 合金时效析出的有效途径之一， 该方法可通过加入合金元素提高 Cu-Fe 合金中固溶 Fe 原子扩散系数和降低 Fe 原子平衡固溶度， 进而促进过饱和 Fe 原子的析出。 为了揭示合金元素的作用机制及其物理本质， 更加合理的选择合金化元素， 本项目采用了基于密度泛函理论的第一原理计算方法， 研究空位与溶质原子在 Cu 基体中的交互作用；合金元素对 Cu 基体中固溶 Fe 原子扩散系数的影响及其作用机制；合金元素对 Fe 原子平衡固溶度的影响及其作用机制。