一种具有超高导电和超高强度的新型Cu-Ti（钛青铜）合金组织

一、【导读】

高强度、高导电性的弹性材料在电池端子、天线端子、SIM卡连接及连接器等方面有着重要的应用。Cu-Be合金作为一种传统的高弹性合金，具有高强度、高导电性等特性，但对人类健康有害，对环境污染严重，因此有必要研究可替代的环保铜合金。Cu-Ti合金以其优异的强度、高弹性和良好的环保性而受到研究者的广泛关注。然而，由于钛原子掺入到铜基体中，Cu-Ti合金表现出非常低的导电性。因此，在保持Cu-Ti合金强度和弹性性能的同时，提高其导电性是至关重要的。

以电导率(≥20%IACS)和强度(HV硬度≥360)作为Cu-Ti合金的理想标准。时效后，Cu-3Ti-2Sn和Cu-2Ti-2Sn的电导率均高于33%IACS，但强度在134.5 HV和119.3 HV时仍较低[7-8]，远低于360 HV的要求。Cu-3Ti-5Ni经固溶时效后电导率为30% IACS，但硬度较低，硬度接近210 HV。Cu-Ti-Al的硬度和电导率大多较低。目前，Cu-Ti由日本Dowa Metaltech和JX Metal Co. LTD.共同研发。C1990和NKT322、NKT180合金实现了Ti-Cu含量为2.9 ~ 3.5%，抗拉强度为970 ~ 1100mpa，硬度为310 ~ 360 HV，延伸率为6.0 ~ 7.7%，电导率为10.0 ~ 11.8% IACS的生产。尽管强度已接近上述要求，但电导率仍极低。因此，在保持高强度的同时提高Cu-Ti合金的导电性是本文研究的重点。

二、【成果掠影】

近期，台州学院、浙江省工量刃具检测及深加工重点实验室的付亚波、大连理工大学的接金川教授等人，通过通过经过分级的两步冷轧和时效工艺，形成一种具有超高导电性、强度和弹性的新型铜钛合金微结构。为制备具有卓越电导率和高强度的Cu-Ti合金提供一种创新方法。研究了4种Cu-Ti合金，结果发现：

(1) 采用分级两步变形和热处理的方法，创造出一种新型微结构，即纳米孪晶结构，间距为3.2 nm，以及75-110 nm的沉淀相。纳米孪晶结构有助于合金的极强强度和导电性。特别是Cu-2Ti合金具有25.23±0.09%IACS 的超高电导率。这归因于Cu₄Ti沉淀相的受控间距保持在75-110纳米，以及66813 cm2/(V*s)的高载流子迁移率。

(3) Cu-2Ti合金表现出1022±87.49 MPa的极高拉伸强度和356.24±29.70 MPa的硬度。通过沉淀纳米尺度Cu₄Ti，可以进一步增强合金的强度，从而获得8.15×10¹⁴/m²的最高平均几何位错密度和91.2%的最低角边界。

(3) Cu-2Ti合金具有很高的弹性，其弹性比功是传统弹性合金Cu-2Be的7倍。这是通过分级变形和时效以及添加2%的Ti实现的。总的来说，两阶段冷轧和时效方法提供了一种新型的微观结构，以解决Cu-Ti合金的强度和导电性互为反比的问题，从而使合金具有卓越的性能。

研究结果于2024.2.12发表在《Journal of Materials Engineering and Performance》上，https://doi.org/10.1007/s11665-024-09252-6

三、【核心创新点】

1.这种纳米孪晶结构有助于合金具有极强的强度和导电性。特别是，Cu-2Ti合金具有23±0.09%的超高电导率IACS。这归因于Cu4Ti沉淀相的受控间距，保持在75-110纳米，以及高载流子迁移率66813 cm2/(V*s)。

2.Cu-2Ti合金显示出1022±49 MPa的极强抗拉强度和356.24±29.70 MPa的硬度。通过在纳米尺度上沉淀Cu4Ti，可以进一步增强合金的强度，从而获得最高的平均几何位错密度8.05×1014/m2和最低的角形晶界92.2%。

3.Cu-2Ti合金具有很高的弹性，其弹性特有功是传统弹性合金Cu-2Be的7倍。这是通过分级变形和老化以及添加2%的Ti实现的。

四、【数据概览】

图5 Cu-2Ti的EBSD图像。(a)孪晶界(红线表示孪晶界为1.66%)，(b) Y0的逆极图(IPF)，(c)(e)平均8.05 × 10¹⁴/m2的几何位错密度(GND)，(d) (f)低角度晶界(LAGBs <10°)和高角度晶界(HAGBs>10°)的晶粒取向扩展(GOS)，其中LAGBs最大。

图8状态密度模拟曲线。(a)四个样品的总电子态密度，(b)费米表面的态密度

图9具有高强度、高导电性和高弹性的新型微观结构

五、【成果启示】

两阶段冷轧和时效方法提供了一种新颖的微观结构，以解决Cu-Ti合金的强度和导电性互为矛盾的问题，从而使合金具有卓越的性能得以发展。