大尺寸深冷形变铜基原位复合材料的析出动力学及近净成形基础

Deformation-processed Cu-based in situ composites are prospective materials in electronics, communication, transportation and national defense industries, due to their high strength and high conductivity. The size of deformation-processed Cu-based in situ composites is very small due to the severe plastic deformation during preparation, which prevents their widespread application in some high-tech fields. Our previous research found that deep cryogenic treatment improved the conductivity and strength of deformation-processed Cu-based in situ composites, and increased the plasticity, but the deep cryogenic mechanism is not very explicit. Accordingly, we are going to decrease the cold deformation strain of deformation-processed Cu-based in situ composites, by regulating and controlling the as-cast microstructure of Cu alloys using directional solidification and Ag micro-alloying, increasing the placsticity using deep cryogenic treatment, and removing intermediate heat treatment which increases plastic deformation but decrases strength; investigate the influence and mechanism of deep cryogenic treatment on the microstructure and precipitated phase, analyse the precipitation kinetics of deep cryogenic treatment by investigating the influence rule of deep cryogenic treatment on the micro-strain field, due to the volume shrinkage induecd by rapid temperature decrease; study the advanced combination of hot rolling and online quenching to achieve homogenization, solid solution and hot rolling cogging in a heating and cooling cycle, explore the technical basis of near-net forming. We are going to scientifically regulate and control the strength, conductivity and plasticity by combining directional solidification, hot rolling and online quenching, and deep cryogenic treatment, develop a scientific basis for the near-net preparation of large-sized and high-strength and high-conductivity deformation-processed Cu-based in situ composites.

形变铜基原位复合材料的高强高导电性使其在电子信息、交通及国防等领域具有广阔的应用前景。但其高强度是通过大塑性变形获得的，材料的最终尺寸通常较小，从而限制了其在一些高新技术领域的应用。申请人前期研究发现，深冷处理不仅可提高材料的强度和电导率，而且增加材料的塑韧性，但其机理尚不十分明确。本项目拟通过前期累积的定向凝固和银微合金化成果调控材料的铸态组织，采用深冷处理增加材料的塑性变形能力，剔除为继续冷变形而易引起材料强度下降的中间热处理工艺，有效减小最终材料的冷变形应变量；研究深冷处理对微结构及析出相影响的物理本质，研究温度迅速降低引起的体积收缩对材料微观应变场的影响规律，分析深冷处理的析出动力学机制；研究均匀化、固溶和热变形优化组合的热轧在线淬火工艺，探索近净成形的技术基础；综合运用组织调控、热轧在线淬火及深冷处理等科学调控材料的综合性能，建立大尺寸深冷形变铜基原位复合材料近净成形的科学基础。

形变铜基原位复合材料的高强高导电性使其在微电子、信息及交通等领域具有广阔的应用前景。但其高强度是通过大塑性变形获得的，材料的最终尺寸通常较小，从而限制了其在一些高新技术领域的应用。资助项目采用定向凝固装置熔炼4种优化的Ag微合金化铜铁和铜铬等合金，其中铁、铬等合金元素的质量分数均在6%以上，依据第二相在铜基体中的形态、大小和分布，以及合金电导率、强度和塑韧性的综合评价，确定2组优化的定向凝固工艺参数，探索铜合金制备的热-结晶内在规律，获得了定向凝固铜合金铸态组织的调控机制。采用气氛保护炉对合金铸锭进行900-1000℃下保温1-5h后的随炉冷却均匀化处理，通过均匀化处理前后显微组织的对比研究，分析非平衡凝固组织的变化规律，确定合适的均匀化处理时间和温度区间，同时采用气氛保护炉对合金铸锭进行900-1000℃下保温1-5h后的水淬固溶处理，通过固溶处理前后硬度和电导率的对比研究，确定合适的固溶处理时间和温度区间，在充分考虑铜合金热轧工艺的基础上，结合均匀化处理和固溶处理工艺研究结果，建立了热轧在线淬火工艺制度。采用纳米力学探针等技术研究深冷处理对铜基体与第二相界面结构及相界面区性能的影响，分析深冷处理对材料强韧性的影响规律；研究深冷处理对析出相的数量、形状、大小及在基体中分布的影响规律，结合深冷处理对材料显微组织的影响及温度降低引起的体积收缩对材料微观应变场的影响，明晰了深冷处理的析出动力学机制。研究不同深冷处理制度在不同形变条件下对材料组织和性能的影响规律，从增加材料最终尺寸和优化材料综合性能的角度确定最佳深冷处理工艺，综合运用深冷处理、铸态组织调控及预备热处理和变形工艺，使材料获得高强度和高电导率的同时，有效减小冷变形应变量，在综合性能相同情况下，材料直径增加约2.2-3.5倍，在冷变形应变量相同情况下，材料综合性能提高约55%-120%，建立了大尺寸高强高导形变铜基原位复合材料近净成形科学基础。研究成果丰富了高强高导铜基材料的制备技术和科学内涵，拓宽了形变铜基原位复合材料在高新技术领域的应用范围，可为大尺寸高性能复合材料的近净成形提供必要的实验指导和理论依据。