Cu-Ni系铍铜替代合金的高通量“节点”筛选和理论研究

The Beryllium Copper elastic alloys show excellent properties, but existing underlying the danger of poisonousness. Thus, it is needed to find some new elastic copper alloys without Beryllium in place of the beryllium copper elastic alloys. Currently, due to the limitations of trial-and-error method, it is difficult to deeply understand the law of elastic property changing with the compositions and material structures. We propose the idea of “node” screening, and the diffusion couple experiments including many metal elements will be carried out. The sample will be treated in different heat treatment conditions. And then with the back scattering, electron probe, nano indentation approaches, from a few of samples, we try to obtain the information including alloy composition, hardness, elastic modulus, strength and conductivity, which will be the information of the alloy “node” to compare with beryllium copper template “node” samples. By this “node to node” high throughput screening approach, we try to find the Cu-Ni series elastic alloys used for the substitute of beryllium copper. The relationship between the composition,morphology structure and properties of the Cu-Ni-X elastic alloys will also be investigated.

铍铜弹性合金材料性能优异，但是潜存毒性危害，需要寻找新型环保无铍弹性铜合金对其进行替代，Cu-Ni系弹性合金是可选的材料之一。由于“试错法”研究的局限性，目前难以对Cu-Ni系弹性合金的性能随合金成分及结构的变化规律进行深入全面的认识。我们提出了“节点”筛选的理念，拟进行包括多种金属元素在内的“扩散多元节”实验，在不同的热处理条件下对试样进行预处理，配合背散射、电子探针、纳米压痕等高分辨扫描测试和其他性能测试方法，从少数的扩散多元节样品中高效获取批量和系统的连续合金成分下的硬度、弹性模量、强度和导电率的性能“节点”。通过与铍铜合金模板“节点”样本的比较，以“节点对节点”的方式进行Cu-Ni系铍铜替代弹性合金的高通量筛选，并进行Cu-Ni-X弹性合金的合金成分-形貌结构-性能关系研究。

Cu-Ni-M系合金作为代表性的环保弹性铜合金，是潜在的铍青铜替代材料，国内外对此的研究成果比较分散。传统实验研究方法效率较低，在一定程度上阻碍了新型弹性合金的发展。本项目采用扩散多元节高通量实验研究方法，确定了Cu-Ni-Ti-Cu25Al-Cu35Sn多元扩散偶试样结构设计和加工处理方案。多个试样在600℃~700℃和100h~400h的不同条件下进行扩散热处理后，实施高通量的纳米压痕和电子探针测试，高效获得了Cu-Ni-Ti、Cu-Ni-Al、Cu-Ni-Sn，以及Cu-Ti-Al、Cu-Ti-Sn等多个三元铜合金体系连续成分下的形貌特征、弹性模量和硬度数据信息。本项目进一步采用第一原理和相图计算手段，建立了包括Cu、Ni、Ti、Al、Sn等元素在内的热力学数据库，计算了相稳定性和元素化学势，理论预测了扩散偶上不同金属扩散界面的固相序列。通过实验和计算数据的验证与互补，成功获得了多个铜合金体系的成分-相组成-弹性性能跨尺度关系。本项目最后以弹性性能、硬度和抗拉强度为主要“节点”性能，通过与经典Cu-2Be和Cu-2.8Be铍铜合金进行性能对比，发现本项目实验数据中可能的铍铜替代材料为Cu-Ni-Sn三元合金，该结果还有待进一步验证。基于项目实施，发表学术论文共5篇，其中4篇被SCI索引，申请国家发明专利共4项，其中2项已获专利授权。该项目结合了材料计算、高通量实验表征和数据分析方法，得到了一条获得弹性铜合金的成分-相组成-弹性性能跨尺度关系的可行路径，是材料基因组技术层面的探索和示范性研究。