C对Cu-Fe和Cu-Cr合金组织与性能的影响规律

Our previous research found that the addition of C will cause the macrosegregation of Cu-Fe/Cr alloys, while some studies reported that C micro-alloying refined the microstructure and improved the strength and conductivity of Cu-Fe alloy, which are two opposite conclusions. Therefore, it is very necessary to study and know well the influence law and mechanism of C on the microstructure and properties of Cu-Fe/Cr alloys, which is beneficial to the production and development of new materials. We are going to investigate the influence law and mechanism of C on the as cast structure of Cu-Fe/Cr alloys by combining the thermodynamic caculation and experiments; study the influence law and mechanism of C on the solid solubility of Fe/Cr in Cu matrix, and the mechanical and electrical properties of Cu-Fe/Cr alloys by using first principles caculation, thermodynamic and kinetic analysis and experiments; research the preparation technique, microstructure and properties characteristics of C-alloying Cu-Fe/Cr composites, and explore and forecast the developmental ways and application prospect of these composites by using our calculated and observed liquid phase separation caused by the addition of C.

申请人前期研究发现，C元素的加入将引起Cu-Fe/Cr系合金的宏观偏析，而有研究报道微量C元素加入可细化Cu-Fe合金的铸态组织，改善力学与导电性能，这说明随着合金成分及C加入量等因素的变化，C的作用是复杂的，因此，非常有必要深入研究和掌握C对Cu-Fe/Cr系合金组织与性能的影响规律和机理，以指导生产实践和新材料开发。本项目采用热力学计算与实验相结合的方法，深入分析研究C对Cu-Fe/Cr系合金凝固组织的影响和机理，解开“C在什么条件下引起Fe、Cr第二相宏观偏析，而又在什么条件下可以细化组织，改善性能”谜团；通过第一性原理计算和热力学、动力学分析与实验相结合，研究C的存在方式及对Fe、Cr元素在铜基体中的固溶度和Cu-Fe/Cr系合金力学、导电性能的影响及机理；研究利用加C引起液相分离现象制备新型Cu-Fe/Cr系双金属复合材料技术，研究分析此类复合材料的组织、性能特征和开发应用前景。

Cu-Fe和Cu-Cr系合金具有高强度与高导电综合性能好、生产成本低和环保等特点，已得到广泛的工业化应用。随着现代科技的发展，对材料的性能提出了更高的要求。资助项目基于Cu-Fe和Cu-Cr系合金的重大需求和前期研究工作积累，对不同C、Fe、Cr含量合金进行了系统的研究。通过热力学计算和实验相结合，研究了不同的C加入量对Cu-Fe和Cu-Cr系合金亚稳相图的影响规律，尤其是对液相不混溶间隙区间的影响规律，研究发现，微量C的加入，液相不混溶间隙区将由亚稳态转变为稳态，而且稳态液相不混溶间隙区域随C含量的增加而快速扩大，使得Fe、Cr元素含量高的合金在正常的熔炼条件下将发生液相分离，从而不可避免地导致合金发生宏观偏析；通过第一性原理计算和实验相结合，研究了C元素对Fe、Cr元素在铜基体中固溶度的影响，发现添加微量的C有利于促进Fe、Cr元素的析出，从而同时提高材料的强度与导电性能；采用SEM、TEM、EDS等技术手段，对实验材料的宏观与微观组织和性能进行了分析研究，结果表明，添加微量的C可以细化Fe、Cr初生相，并使树枝状晶向球形转变，有利于获得均匀的组织，并提高材料的强度与导电性能，但是，对于Fe、Cr元素含量高的合金，添加微量的C将引起宏观偏析，影响合金性能的均匀性；发明了一种原始创新的Cu-Fe双金属复合材料的制备技术，采用离心铸造手段，添加微量的C使高Fe含量的Cu-Fe合金产生Cu、Fe液相分离，制造出Cu-Fe双金属复合材料，复合材料具有优异的电磁屏蔽性能，在电子、军工等领域具有广阔的应用前景。研究成果可丰富Cu-Fe和Cu-Cr系合金组织和性能调控的科学内涵，促进形变铜基原位复合材料的产业化，并诞生一种制造Cu-Fe双金属复合材料新技术，为新型高强高导铜基材料及高性能电磁屏蔽材料的研究与开发提供必要的科学依据和技术基础。