Cu-Cr-Ti原位复合材料定向凝固制备及组织稳定性的研究

Deformation processed Cu-Cr in-situ composites have very good application prospects at high speed electrified railway and urban rail transit for low cost, high strength and high conductivity of the combination of the excellent properties. At present, the copper-base in-situ composites prepared by the traditional methods have disadvantage of continuous fiber, direction and fiber reinforced, conductivity. And the higher cost and smaller ingots of the powder metallurgy method severely restrict its industrial application. At the same time, the formation principle, thermal stability, relationship, strengthen mechanism, conductive mechanism of the fibers are not clear in the domestic and foreign research. The Cu-Cr-Ti in-situ composite ingots are prepared by the directional solidification technology in the study. The microstructure morphology are investigated in the directional solidification process; The models of controlling a stable liquid-solid interface position are established; The fracture mechanism of the copper matrix and fibers in the deformation and heat treatment process are studied to establish a fiber stable model; The interface microstructure, the combination of interface and relationship of Cu/Cr interface are investigated to establish the relationship between interface bonding factor and the interface properties.

形变Cu-Cr原位复合材料由于具有低成本、高强度和高导电率结合的优良性能，在高速电气化铁路和城市轨道交通等领域具有很好的应用前景。目前，采用传统方法制备的原位复合材料，其纤维组织不连续、定向性及纤维强化效果不好，导电性较差；而采用粉末冶金法则生产成本较高，铸锭较小，严重限制了其工业化应用。同时，国内外的研究中，大变形铜基原位复合材料的纤维组织形成的规律、纤维热稳定性及其与铜基体的位向关系，强化机理、导电机理等方面尚不明晰，目前还存在较大的争议。本项目采用定向凝固技术制备Cu-Cr-Ti原位复合材料铸锭，研究定向凝固过程中的微观组织形貌，建立稳定液固界面位置的控制模型；研究铜基体及增强纤维在变形及热处理过程中的断裂机制，建立纤维稳定模型；研究Cu/Cr界面微观结构，确定界面的结合情况及基体与纤维的位向关系，建立界面结合因子与原位复合材料异相界面性能的关系。

形变Cu-Cr原位复合材料由于具有低成本、高强度和高导电率结合的优良性能，在高速电气化铁路和城市轨道交通等领域具有很好的应用前景。目前，采用传统方法制备的原位复合材料，其纤维组织不连续、定向性及纤维强化效果不好，导电性较差。基于以上原因，该项目采用定向凝固技术制备了Cu-Cr-Ti复合材料铸锭，考察了定向传热场下生成的Cu-Cr原位复合组织的微观形貌。建立了稳定定向凝固过程中液固界面位置控制模型。同时，探索了纤维状凝固组织的形成条件，确定了最佳凝固工艺参数，实现对凝固组织形态的持续稳定的控制。Cu-Cr-原位复合材料在塑性变形过程中，Cr纤维的形成过程在纵向上主要经历了枝晶破碎、扁化与旋转、纤维搭接与合并、纤维细化与均匀化四个阶段；在横向上主要经历了枝晶破碎、扁化和旋转、弯曲与扭折、不规则化四个阶段。Cr纤维的热稳定性研究表明，随着退火温度的升高，形变Cu-Cr-Ti原位复合材料的Cr纤维热稳定性降低，Cr纤维在退火过程中依次产生纵向分裂、柱状化、断开和球化、粗化等现象。利用余氏固体与分子经验电子理论和程氏改进的TFD理论的结合计算Cu-Cr-Ti原位复合材料中基体和强化相的异相界面的电子结构及界面结合因子，建立了界面结合因子与原位复合材料异相界面性能的关系，在电子结构层次提出异相界面对复合材料性能的影响，并为探索原位复合材料的强化机理问题提供必要的理论参考。