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。
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