高强高导Cu-Nb合金双纳米结构的形成机制及其与性能的关系

The copper alloys with super-high strength, high electrical conductivity and high thermal stability are widely used to manufacture the conductor wires for pulsed high-field magnets. We have successfully developed a bi-nanostructured Cu-Nb alloys with super-high strength, high electrical conductivity and high resistance to softening at elevated temperature. However, the distribution characteristics of Nb solute atoms, the precipitation behavior during vacuum-hot pressing and heat treatments, and both of their effects on the microstructure evolution and the properties have not been systematically investigated yet. Three dimensional atom probe (3DAP) and high resolution electron microscopy will be used to investigate the distribution characteristics of the solute atoms and the interactions among solute atoms, grain boundary and dislocations in the alloy, and to reveal its effects on the structure evolution of the alloy. In order to discover the mechanism of excellent properties of Cu-Nb alloys, the precipitation behavior, the characteristic of the precipitates, and the interactions among the precipitates, grain boundaries and dislocations will be studied. A relative theory will be established to develop the novel bi-nanostructured copper alloys with ultra high strength, high conductivity and high thermal stability.

超高强、高导电和耐高温的导电材料是生命科学、医学、轨道交通、热核聚变等领域用强磁场装置等的关键材料之一。前期预研中我们通过机械合金化粉末真空热压烧结成形法成功研制了一种超高强、高导电和耐高温Cu-Nb双纳米结构合金，但目前国内外对该合金的纳米结构特征及其形成机制，以及它们与合金综合性能间关系的认识还很模糊。本项目拟采用三维原子探针和高分辨电子显微镜等手段，从原子层面上研究不同状态Cu-Nb合金中溶质原子在纳米空间中的分布规律及溶质原子与晶界、位错等缺陷间的相互作用，揭示溶质原子对合金纳米结构演变的影响规律；从单胞尺度和析出热动力学角度分析合金的析出相变行为和析出相特征（包括析出相大小、密度、分布、晶体结构和位向关系等）及其与晶界和位错间的相互作用，探明该合金产生超级性能（如超高强、高导电和耐高温等）的机理。该研究将为开发新型超高强、高导电、耐高温复合纳米结构铜合金奠定基础。

Cu-Nb双纳米结构合金因具有高强、高导和耐高温的综合性能而备受关注，但人们对该合金双纳米结构的形成机制及其与合金综合性能之间的关系认识不足，这限制了其进一步的推广应用。针对上述问题，本项目在优化Cu-Nb合金制备工艺的基础上，系统研究了不同浓度Cu-Nb合金在不同工艺条件下组织结构演变、溶质分布状态、溶质析出序列、性能变化规律以及热稳定性机理等内容。主要结果如下： (1)在热处理过程中，当温度高于600℃后，球磨态Cu-Nb过饱和纳米晶发生明显的第二相析出和晶粒长大；同时，Nb含量的增加可显著提高Cu相纳米晶的热稳定性。(2)通过结合实验结果与Saber纳米晶热力学稳定性理论模型证实了Nb溶质原子偏聚于Cu纳米晶晶界后，能有效降低晶界能，抑制Cu晶粒的长大。此外，Nb在Cu基体中扩散主要包括体扩散和晶界扩散两种方式。(3) 不同浓度Cu-Nb过饱和固溶体在退火过程中的相分解规律不同，Nb析出序列可概况为：①低浓度合金：过饱和固溶体→Nb原子团簇+G.P区→G.P区+Nb2O5相→Nb2O5相；②高浓度合金：过饱和固溶体→Nb晶界偏聚区+Nb原子团簇+G.P区→Nb晶界偏聚区+ Fe7Nb6相+NbO相+fcc-Nb相→bcc-Nb相+ Fe7Nb6相+NbO相。(4)当温度低于600℃时，Nb溶质原子晶界偏聚可有效阻碍Cu晶粒生长，合金热稳定性主要依靠热力学机制；当温度超过600℃以后，由于溶质Nb原子的沉淀和反应析出，Nb、Nb2O5、NbO、Fe7Nb6等纳米颗粒对晶界的钉扎作用能有效抑制晶粒长大，动力学机制占主导。(5)低浓度Cu-Nb合金(Cu-1.5wt%Nb)经热压成形后，形成了纳米颗粒弥散分布在亚微米级Cu基体中的微观结构；而浓度较高Cu-6wt%Nb和Cu-10wt%Nb合金形成了纳米颗粒弥散分布在Cu纳米晶中的双纳米结构。细晶强化和弥散强化是Cu-Nb 合金的主要强化机制，其电导率的主要影响因素是纳米晶Cu晶界和弥散粒子对电子的散射作用。