多尺度组织控制的高强高导CuAgFe合金凝固与析出机理研究

The development of basic sciences requires urgently to explore basic theories under extreme condition with super-high magnetic fields. Thus, higher performance Cu-Ag based conductors with high strength high conductivity are demanded in the super high magnet winding coils. However, the strength of CuAg composite is almost close to its limitation. Multiphase alloys are an important research direction to increase their properties. Both the Ag solubility and the spacing of nano Ag precipitates for CuAg alloys are critical scientific questions influencing their properties. In this proposal, the research route of "Refining dendrites, Promoting precipitation and Decreasing solubility" is proposed and the dynamics conditions are changed during the solidification and precipitation behaviors by adding the minor third element of Fe and adjusting cooling rate, growth rate, thermo-mechanical process etc, especially by subjecting 30T highest DC magnetic field (HMF). The nucleation and growth of micro dendrites and nano precipitations could be controlled. The microstructure, solute distribution, precipitation, the deformed microstructural evolution and properties are systematically investigated. The ultimate objective is to strengthen the precipitation strengthening, and to decrease the impurity scattering. It will be helpful to build up the relative mechanisms of the effects of HMF on different scaled microstructure with different magnetic states, and properties. In addition, it will make us understand the basic theories among the multisized microstructure, properties and process. The results will provide technical supports on the application of high performance Copper based alloys.

基础学科的发展迫切需要超高强磁场的极端环境以探索基本规律，这对应用在超高强磁体绕组线圈中的高强高导材料提出更高要求。然而目前应用的CuAg合金强度和导电性已接近极限，多元合金化是提升其性能的一个重要方向。围绕细化CuAg合金中纳米Ag析出相和降低固溶Ag含量这两个影响其性能的关键科学难点，提出“细枝晶、促析出、降固溶”的技术路线，通过添加微量铁磁性Fe改变凝固和析出动力学条件，结合冷速、生长速率、形变热处理等工艺，特别是辅以国际上最强的30T高强电阻磁场，控制微观尺度枝晶和纳米尺度析出相的形核生长，研究不同工艺条件对凝固组织、溶质分布、沉淀析出和塑性应变时组织及性能的影响，获得超强的细晶强化与析出强化效果，最大限度地降低杂质散射效应；揭示高强磁场对不同尺度和不同磁性组织及性能的作用机理，为理解多元多尺度微观结构与性能和控制工艺的关系奠定理论基础，为高性能高强高导铜基合金的应用提供技术支撑。

高强磁场极端物理条件能为生命科学、物理、化学和材料科学等领域基础理论创新提供源动力。我国已建成90.6T脉冲强磁场和40.13T稳恒强磁场“强磁场实验装置”的国家重大科学工程，达到国际领先水平。然而，高强磁场建设中最内层的Cu-Ag核心绕组导线仍需依赖日本进口，开发具有自主知识产权的Cu-Ag核心绕组导线这一“卡脖子”基础原材料已经成为我国高强磁场建设和发展中亟需解决的关键难题。.针对Cu-Ag核心绕组导线制备中强度与导电性相互制约的关键问题，此资助项目采用强磁场凝固和廉价Fe组元添加，配合热机械变形方法，获得“枝晶细化、析出增多、固溶降低”的高性能CuAgFe合金。主要贡献包括：.（1）揭示了影响Cu-Ag合金性能的关键组织控制因素。首次定量确定了纳米Ag析出相和Ag固溶度是调控Cu-Ag合金性能的关键，确定了纳米Ag析出相最佳时效温度。首次观察到低Ag含量Cu-Ag合金中同时存在连续和非连续性析出相。评价了高强磁体导线服役时的磁致电阻与微观组织的本质联系。.（2）形成了高强高导铜基磁体导线材料强磁场基础理论。提出了高强度高导电率Cu-Ag、Cu-Fe和Cu-Ag-Fe合金的强磁场制备技术，揭示了强磁场和定向凝固对共晶合金及纳米Ag析出相的影响机理。.（3）实现了Cu-Ag基合金中强度和导电率的同步提高。利用磁场配合定向凝固结合热机械变形，以及采用连续/非连续析出调控的热处理制度均实现了Cu-Ag合金强度和导电率的同步提高。.（4）构建了多组元合金共沉淀及强磁场作用机理。研究了Fe与Ag不同成分演变时Cu-Ag复合材料组织与性能的演变规律，揭示了Cu-Ag-Fe合金中Ag析出相和Fe析出相的共沉淀，及其与强度和导电性的演变规律。.依托本项目已发表30余篇学术论文（其中SCI检索18篇），授权3项中国发明专利，共参加学术会议17人次，培养3名硕士生和2名博士生。形成了系统的高强磁体核心绕组导线材料的强磁场制备基础理论，揭示了共沉淀形核生长规律。积极推进高强高导铜基磁体导线材料的制备技术转化，期望实现高强磁体核心绕组导线这一“卡脖子”基础原材料国产化的研究目标，为我国强磁场实验装置建设做出应有的贡献。