铸造Cu-Cr-Nb合金组织与性能研究

作     者：钟昊睿 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁淑华;王庆相

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Cu-Cr-Nb合金 时效析出 感应熔炼 热处理 

摘      要：Cu-Cr-Nb具有优异的高温性能和导热性能,有望成为火箭发动机燃烧室、可控核聚变第一壁和火箭喷嘴衬垫等部件的关键材料。针对传统铸造法制备Cu-Cr-Nb合金增强相尺寸粗大、组织分布不均匀等问题,设计Cu-3.3 wt.%Cr-1.6 wt.%Nb合金,系统研究了Cr2Nb引入方式和熔炼工艺参数对合金组织的影响,通过Cu-Cr和Cu-Nb中间合金在熔液中原位反应获得Cr2Nb增强相,减缓凝固过程中增强相的漂浮、粗化和团聚倾向,成功制备了 Cu-Cr-Nb合金。在此基础上,为调控和优化合金组织和性能,研究不同形变热处理工艺对合金微观组织、力学性能、导电率和热导率的影响,制备出具有较优综合性能的Cu-Cr-Nb合金。主要结论如下: (1)利用Cu-Cr和Cu-Nb中间合金通过原位反应法引入Cr2Nb增强相制备的Cu-Cr-Nb合金组织分布均匀、颗粒尺寸细小;提高熔炼温度有利于Cr和Nb元素的充分反应,提高Cr2Nb相体积分数;增加冷却速率,使用水冷铜模制备Cu-Cr-Nb合金增强相颗粒尺寸得到明显细化。优选工艺制备了含有Cr和Cr2Nb双相强化的Cu-Cr-Nb合金,其中初生析出相平均尺寸为2.63 μm,铜基体平均尺寸为197.6μm。 (2)经不同形变热处理后,Cu-Cr-Nb合金中析出纳米级Cr和Cr2Nb颗粒。当时效温度由450℃提高至700℃时,微米级Cr2Nb和Cr颗粒尺寸稳定,保持在2-3μm,纳米Cr2Nb颗粒保持稳定,尺寸为6 nm,纳米Cr颗粒由于奥斯瓦尔德熟化作用粗化,尺寸从500℃的 8nm 增加至 700℃的 22 nm。 (3)冷轧工艺有利于Cu-Cr-Nb合金强度和硬度提高,引入热轧工艺有利于合金延伸率、导电率、热导率的提高。Cu-Cr-Nb合金经冷轧80%+500℃时效处理0.5 h后,硬度为146HBW,导电率为79.5%IACS,抗拉强度为405.8MPa,延伸率为20.2%,热导率为351.7 W/K·m。Cu-Cr-Nb合金经热轧30%+冷轧至80%+550℃时效处理0.5h后,硬度为87.2 HBW,导电率为84.1%IACS,抗拉强度为354.07 MPa,延伸率35%,热导率为383.5 W/K·m。 (4)利用冷轧时效态Cu-Cr-Nb合金研究了合金的强化机制,沉淀强化为主要强化机制。500℃ 0.5 h时效后,沉淀强化、位错强化和晶界强化分别对合金总屈服强(381.97MPa)提供了 49.0%(186.9MPa)、28.3%(107.97MPa)和 22.7%(87.2MPa)的强化效果。700℃0.5 h时效后三种强化机制分别为总屈服强度(231.3 MPa)提供了 39.6%(91.7 MPa)、23.4%(54.2 MPa)和 37.0%(85.4 MPa)的强化效果。