于昊玮1，胡敬源1，张梁1，田艳中1,2，秦高梧1,2
（1.东北大学材料科学与工程学院，材料各向异性与织构教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2. 东北大学金属型线材研究中心，辽宁 沈阳 110819）
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引用格式：
①于昊玮，胡敬源，张梁，田艳中，秦高梧. 预时效工艺对Cu-Cr-Zr合金力学性能和电学性能的影响[J]. 铜业工程,2024(3):163-170.
②YU Haowei, HU Jingyuan, ZHANG Liang, TIAN Yanzhong, QIN Gaowu. Effect of preaging treatment on mechanical and electrical properties of Cu-Cr-Zr alloys [J]. Copper Engineering, 2024(3):163-170.
doi: 10.3969/j.issn.1009-3842.2024.03.015
高强高导铜合金经过塑性加工后通常具有高强度，但会严重损失塑性。因此，需要开发新工艺，从而不断提升铜合金的力学性能和电学性能。对固溶态Cu-0.7Cr-0.19Zr合金进行冷轧处理（样品SR），分别采用低温预时效、高温单级时效、低温预时效结合高温时效3种不同的处理工艺制备样品，样品分别命名为SRP，SRA和SRPA。对4种样品的微观组织、强度、塑性和导电率进行了测试。结果表明，时效处理并未造成明显再结晶，保留了超细晶结构及高密度位错。与样品SR相比，单级时效与双级时效均可促成力学与电学性能的综合提升，而双级时效比单级时效更加有效。对样品的强度、塑性和导电率的影响进行了分析。
Cu-Cr-Zr合金具有优异的导电、导热性能。其强度远高于纯铜，常用于高铁接触线、连铸结晶器衬板、集成电路引线框架以及国际热核试验反应堆中的屏蔽包层等。如果进一步改进Cu-Cr-Zr合金生产工艺，优化合金综合性能，就能在更多领域推广应用，使Cu-Cr-Zr合金具有更广阔的应用前景。
Cu-Cr-Zr合金是典型的析出强化型合金，因此可以采用固溶时效处理工艺使过饱和固溶体中的合金原子析出。合金原子析出所形成的第二相粒子在提高合金强度的同时，可以降低由溶质原子引起的铜基体晶格畸变，从而减小对电子的散射能力，获得高导电性。Lin等通过对固溶态合金采用高温短时时效与低温长时时效相结合的两步时效工艺，在合金中获得了高密度的析出物，提高了合金导电率。经过固溶时效处理后，虽然Cu-Cr-Zr合金具备了较高的导电率，但强度仍然较低（低于400 MPa），这说明仅仅依赖时效强化与固溶强化无法实现合金具备高强度性能的目标。因此，若要进一步提升合金强度，就需要引入其他强化方式。
研究发现，可以通过析出强化、固溶强化、形变强化、晶界强化提升Cu-Cr-Zr合金强度。其中，引入变形工艺是大幅改善合金力学性能的有效方式之一，而冷轧则是常用的变形工艺。众多研究者采用变形与时效相结合的工艺优化材料性能。例如，Zhang等对固溶态Cu-Cr-Zr合金进行了低温冷轧与时效处理，以及两步低温冷轧结合中间时效处理。结果表明，经过两步低温冷轧处理后，合金强度高达690 MPa，但导电率仅为67%IACS。Huang等采用两级变形结合中间时效处理工艺对合金进行处理，所获得的合金强度高达623 MPa，明显高于一次变形获得的强度，而导电率降低幅度较小，保持在74.5%IACS。这是由于一次变形提供了大量形核位置，可促进后续时效过程中第二相粒子形核，而时效后进行变形处理又可以引入更多位错以及变形孪晶，进而产生强化效果。Li等通过双级轧制与双级时效相结合的复合工艺（30%冷轧+450 ℃时效2 h+60%冷轧+450 ℃时效1.5 h），制备出了抗拉强度为648 MPa、导电率为79.8%IACS的Cu-1Cr-0.1Zr合金，该合金表现出优异的综合性能。Li等通过三级轧制与三级时效相结合的复合工艺（80%冷轧+450 ℃时效2 h+60%冷轧+300 ℃时效1 h+50%冷轧+150 ℃时效1 h），获得抗拉强度为649 MPa、导电率为65.5%IACS的Cu-0.67Cr-0.27Zr-0.12Ni合金。以上结果表明，通过多级塑性变形与时效处理可以显著提升Cu-Cr-Zr合金的力学和电学综合性能。
提升Cu-Cr-Zr合金强度的关键是保持细小晶粒、高密度位错以及大量析出相，而改善导电率的关键是促进固溶原子析出。为了获得高强度与高导电率，一方面，可以通过施加大应变量塑性变形，从而细化晶粒和提升位错密度；另一方面，可以优化时效工艺促进固溶原子析出。上述的多级塑性变形与时效工艺相比，双级时效工艺对Cu-Cr-Zr合金性能的影响机理尚不明确。本团队近期研究发现，低温预时效与高温时效相结合的双级时效工艺可以优化固溶态Cu-Cr-Zr合金的性能，主要归因于低温预时效过程中形成的GP区，加快了第二级高温时效过程中的析出速率。基于此，本文以固溶冷轧态Cu-Cr-Zr合金为研究对象，研究双级时效工艺对纳米结构Cu-Cr-Zr合金的力学与电学性能的影响，从而为该材料的工程化应用提供可行的工艺方案。
图1 SR与SRP在425 °C时效后的力学和电学性能：（a）硬度和（b）导电率随时效时间的变化；（c）SR，SRP，SRA和SPRA的工程应力应变曲线，曲线上标示出颈缩点；（d）SRA和SPRA的真应力应变曲线与加工硬化曲线
图2 （a）SR，（b）SRP，（c）SRA和（d）SPRA的微观组织及晶粒尺寸分布
图3 SR，SRP，SRA和SPRA的微观组织表征与分析：（a）XRD图谱；（b）位错密度
3）在4种状态的样品中，双级时效处理使材料具有最优的力学性能和电学性能，主要源于低温预时效为高温时效提供了更多的析出物形核点。
通信作者：田艳中，东北大学教授，博士生导师。本、博分别毕业于天津大学与中国科学院金属研究所。长期从事高强度、高导电/导热金属材料，超强韧金属设计与制备等研究。任Scientific Reports编委，金属学报青年编委等职；获中国材料研究学会科学技术奖一等奖、辽宁省科学技术奖二等奖、日本JSPS Fellowship等荣誉；入选美国斯坦福发布“全球前2%顶尖科学家榜单”。共在Science Advances，Acta Materialia，Scripta Materialia，JMST等期刊上发表SCI论文100余篇，包括1篇ESI热点论文，3篇ESI高被引论文，总引用约5000次，h因子40，单篇最高引用超400次，引用超100次的论文13篇（谷歌学术统计）。担任Science、Acta Materialia、JMST、金属学报等20余个SCI期刊评审人。
《铜业工程》创刊于1984年，由江西铜业集团有限公司主管主办，是我国铜工业领域全面反映铜产业链技术进步和金属材料科技创新的双月刊。中国工程院外籍院士、加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士徐政和为期刊特约主编。期刊为《有色金属领域高质量科技期刊分级目录（2023）》T3级别，同时被美国《化学文摘》、俄罗斯《文摘杂志》《中国核心期刊（遴选）数据库》《万方数据库》《维普中文科技期刊数据库》等国内外检索数据库平台收录。本刊主要刊登铜、铅锌、稀有金属、贵金属等有色金属在采选、冶金、加工、环保、分析测试等方面的最新科研成果及应用，以及有色金属领域产业数字化、“双碳”战略推进等研究论文和综述文章。
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