高强高导铜铬锆合金晶体生长行为及电磁场调控机制

High strenghth and high conductivity contact line is quite important for high way. Cu-Cr-Zr copper alloy is the key material for preparing the contact line in case of the speed over 350km/h. Our previous work indicated that electromagnetic field can effectively improve the structure and performance of Cu-Cr-Zr alloy. However, the modification mechanism especially the dynamics is still not clear due to the lack of in-situ testing method. In this project, the solidification behavior (grain growth, defect formation, solute transfer etc.) will be in-situ investigated by synchrotron radiation imaging and diffraction techniques. The effects of electromagnetic field and cooling conditions on solidification structure will be studied in detail. Thus, the dynamics mechanism of electromagnetic modification can be discovered, which is important for improving the electromagnetic continuous casting technology.

随着我国高铁网络的迅猛扩展及时速记录的不断刷新，对高铁接触线铜合金材料的结构强度与导电功能提出了越来越高的要求。高强高导铜铬锆合金是运行速度大于300km/h高速列车接触线的重要用材，接触线性能直接关系着高铁运行的安全。我们的前期研究结果表明施加电磁场可有效改善铜铬锆合金的凝固组织与力学性能，但由于原位分析手段的缺失，对电磁场调控的微观动力学机制缺乏足够的认知，这已成为制约工艺进一步发展的瓶颈。本项目依托我国大科学装置，应用高能同步辐射硬X射线原位成像与衍射技术，对电磁场调控下铜铬锆合金凝固过程中晶体的形核与生长、成分迁移、缺陷形成等进行实时成像与原位表征。系统研究电磁参数、凝固条件等对铜铬锆合金晶体生长行为的调控规律，深入理解电磁场调控铜铬锆合金凝固组织的动力学机制，为发展适合于工业应用的铜铬锆合金电磁连铸技术提供理论依据，满足高铁发展对结构功能一体化材料的需求。

在国家自然科学基金“高强高导铜铬锆合金晶体生长行为及电磁场调控机制-批准号：U1332115”的资助下，依托上海/北京同步辐射光源国家重大科学装置平台，我们圆满的完成了预定计划中的各项工作。首先，依托同步辐射装置，建立了一整套能够进行原位真空加热的装置，并利用同步辐射衍射技术对铜铬锆合金的相变过程进行了表征。其次，完成电场施加装置和低温轧制装置的搭建与调试运行，研究了外加电场，稀土元素及轧制温度对铜铬锆合金微观组织及性能的调控规律，发现外加电场能够降低析出相尺寸，提高其强度；稀土元素能够细化晶粒，提高位错密度；低温轧制则能够促进形变孪晶的形成，并显著提高其强度。结合上述实验结果，我们制备出了兼具高强高导的CuCrZr合金板材(抗拉强度609 MPa、电导率76.7%IACS)及具有超高强度的CuCrZr合金板材(抗拉强度690 MPa，电导率为67%IACS)。.依托此项目培养了青年教师接金川一名，博士研究生戚俊成、曹飞、王维、邹存磊、李仁庚5名，硕士研究生梁春辉、李明宇、张邵建3名；发表SCI 期刊论文42篇，会议论文8篇，其中期刊论文IF>2 的23 篇；撰写发明专利2篇。此外，项目组牵头申报并获得2014年教育部技术发明奖一等奖1项(项目负责人排名第一)，辽宁省自然科学学术成果二等奖1项(项目负责人排名第一), 2015年国家技术发明奖二等奖1项(项目负责人排名第二)，2016年日内瓦国际发明展金奖(项目负责人排名第二),项目负责人获评2015年科技部中青年科技创新领军人才。