高性能Cu-Ni-Si系合金研究现状及发展趋势

先进铜基材料具有广阔的市场及良好的发展前景。相比于Cu-Be, Cu-Fe-P, Cu-Cr等合金而言,Cu-Ni-Si系合金具有高强度、较高的导电率、良好的抗高温软化、抗应力松弛性能及低廉的价格等优点,广泛应用于机械制造、航空航天、交通运输、电子和电气工程等工业领域。本文首先介绍了Cu-Ni-Si系合金的发展现状,并从产品性能及产业化方面论述了国内外存在的差异。该合金发展趋势主要是朝着先进高强高导弹性铜合金方向发展,核心挑战是在提升强度的同时保持甚至提高导电性能,并且由于服役环境的复杂化及服役时间的延长,对于材料服役性能的可靠稳定性也提出了更为严苛的要求。最后从成分设计、加工及形变热处理工艺、时效析出行为、服役性能等方面综述了CuNi-Si系合金的研究现状,并针对目前该材料存在的不足,展望了高强度高导电铜合金的未来发展趋势。

行波磁场对Cu-Ni-Si-Mg合金组织和性能的影响

研究了在凝固过程中行波磁场对Cu-Ni-Si-Mg合金组织和性能的影响。结果表明,随着磁场电流强度的增加,在晶粒细化的同时,合金的组织形貌逐渐向等轴晶转变,树枝晶在磁场的作用下尺寸不断减小。磁场电流为90 A时晶粒细化效果最好,铸锭几乎全部由细小的等轴晶组成,晶粒尺寸降至(0.5±0.19) mm,相比于未加行波磁场的合金,晶粒细化了约94%。采用透射电子显微镜对显微组织进行观察,并对衍射花样进行标定,发现晶界处的析出相为δ-Ni2Si。在磁场电流为60 A的条件下,合金的拉伸性能最好,与未施加磁场的样品相比,屈服强度提高了41.8%,抗拉强度提高了12.9%,但合金的硬度不受行波磁场影响。本文通过行波磁场细化晶粒,为提高时效强化型铜合金的强度提供了一种可规模化生产的技术。

高溶质含量Cu-Ni-Si合金热压缩变形行为研究

电连接器用铜合金为目前5G通讯、新能源汽车等领域的重要材料,Cu-Ni-Si系合金因其优异的力学电学性能、良好的抗应力松弛性能成为该研究背景下广泛应用的材料。目前尚缺乏热变形制度对该合金显微组织影响机理的研究。本文研究了变形温度在600~950℃、应变速率在0.01~10.00 s-1条件下的高溶质含量Cu-Ni-Si合金铸锭的热变形行为,发现在高应变速率下,硬化和软化在变形过程中交替占据主导地位,流变应力呈“波浪形”变化。建立了合金的热变形本构方程和热加工图,获得了高溶质含量Cu-Ni-Si合金的热变形温度为900~950℃,探究了不同变形条件下合金热变形过程的软化机制。结果表明,在950℃低应变速率时,合金的再结晶主要以晶界弓出形核的不连续动态再结晶为主,而在应变速率较高时,主要发生位错转动合并形成新的大角晶界的连续动态再结晶。

粉末冶金法制备Cu-Ni-Si合金的组织和性能

以单质Cu粉、Ni粉和Si粉为原料,通过热压烧结方法制备Cu含量为94(质量分数,%),Ni、Si质量比为4∶1的Cu-Ni-Si合金。经过900℃固溶处理2 h和450℃时效处理4 h后,采用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析和X射线衍射仪对合金的显微组织和相组成进行了分析。结果表明:合金中只有δ-Ni2Si相形成,且δ-Ni2Si相的组织形貌及分布状态对合金的力学性能和导电率起着决定性的作用;经过时效处理后,析出的δ-Ni2Si相使合金的导电率和维氏硬度都明显提高。

Cu-Ni-Si合金带材表面白线缺陷成因分析

采用能谱仪(EDS)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、表面三维轮廓仪及超声波仪,对Cu-Ni-Si合金带材表面白线缺陷及对应的铸态样品的化学成分和微观形貌进行观察和分析,探讨了白线缺陷的产生原因。结果表明:白线区域宏观上为基体大晶粒,表面覆盖一层不均匀的1~2μm的小颗粒,微观上存在白色孔洞区域、黑色孔洞区域以及孔洞周边颗粒区3种典型形貌,其中孔洞尺寸大小为2~5μm,孔洞深度约为200 nm。经过EDS测试,这3种形貌周围组织中O, Mg, Si元素含量较基体正常部分偏高;白线缺陷对应铸态样品经超声波检测后有缺陷回波,内部存在疏松缺陷,铸态缺陷处形貌与带材白线缺陷处形貌类似,且铸态缺陷处成分同样富含O, Mg,Si元素。因此,带材白线缺陷的产生原因可归结为铸锭内的疏松缺陷经后续加工形成。

高强高导Cu-Ni-Si合金的热处理工艺研究

采用正交实验研究了不同的热处理工艺参数对铸态Cu-Ni-Si合金导电率、硬度和综合性能的影响,并对不同处理状态的试样进行了组织观察;运用极差分析了固溶温度、固溶时间、时效温度和时效时间等4个因素对各性能指标的影响规律。结果表明,经950℃固溶处理2h+550℃时效处理8h后,Cu-Ni-Si合金可达到最佳的综合性能。验证实验结果表明,经正交实验所确定的最佳工艺热处理后,Cu-Ni-Si合金的综合性能高于其他所有实验值,表明正交实验所得到的结果是可靠的。

热处理对Cu-Ni-Cr-Si合金性能提升的机理研究

为了深入了解Cu-Ni-Cr-Si系列合金的综合性能,对比分析了Cu-Ni-Cr-Si合金热处理前后合金的显微硬度、拉伸性能以及显微组织等的变化规律。研究发现,热处理后的Cu-Ni-Cr-Si合金的拉伸性能明显提升,显微硬度也呈现出相同的变化趋势。Cu-Ni-Cr-Si合金是典型的沉淀时效强化合金,热处理过程中溶质原子扩散,从而形成析出相,细小、弥散的析出相分布在合金的晶界中会阻碍位错运动,从而提高了合金的力学性能。显微组织研究发现,热处理后晶粒的尺寸显著变大,与此同时热驱动力促使析出相生成,一般为Ni/Si相和Cr/Si相,析出相具有较高的硬度,合金的显微硬度在热处理之后也会有显著提升。电子背散射衍射(EBSD)分析发现,热处理之后小角度晶界转变为大角度晶界,局域取向差降低,推断位错密度降低。除此之外,溶质原子Cr、Ni、Si从基体中析出,对基体具有一定的净化作用,导电率由29.665%IACS提高到35.124%IACS。

基于机器学习的Cu-Ni-Co-Si合金固溶处理晶粒尺寸预测

Cu-Ni-Co-Si合金在固溶处理后的晶粒尺寸会影响其服役性能。采用3种不同的机器学习方法——BP神经网络、随机森林、长短期记忆网络,分别建立了Cu-Ni-Co-Si合金固溶温度和固溶时间对固溶后晶粒尺寸影响的机器学习预测模型。对比分析3种不同机器学习模型的预测精度,发现BP神经网络模型预测精度最高,其平均相对误差为8.55%。随后采用遗传算法优化BP神经网络。结果表明,所建立的BPGA模型平均相对误差比BP神经网络模型降低了6.47个百分点,其平均相对误差为2.08%,能够有效地为Cu-Ni-Co-Si合金固溶处理工艺参数的选择提供指导。

Cu-Ni-Si合金在含深海菌海水中的耐蚀性能

Cu—Ni-Si合金在海洋环境下的应用极具发展前景，目前缺少微生物对其腐蚀的研究报道。为此．采用金相组织观察、扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）分析、电化学阻抗谱（EIS）检测等，研究了Cu-Ni-Si合金在含有深海菌的人工海水介质中的腐蚀及电化学行为。结果表明：在深海菌1个生命代谢周期内（1～7d），Cu—Ni-Si合金表面被一层均匀致密的微生物膜覆盖，抗点蚀性能提高，腐蚀电位Ecorr逐渐趋于稳定，腐蚀破坏得到抑制。

NiSiCu合金产品质量异常分析

对非真空熔炼的NiSiCu合金产品质量异常原因进行分析。通过合金成分分析和性能检测及合金生产现场观察,发现合金中添加的Ni、Si元素的总量低、Ni/Si质量比不理想,导致了合金硬度偏低;另外,合金中的Fe元素等杂质含量偏高,降低了合金的导电率。实施改进措施后,生产的NiSiCu合金产品质量和合格率均得到较大的提高。

Cu-Ni-Si合金的价电子结构分析

基于固体与分子经验电子理论(EET),对纯金属晶体Cu以及合金固溶体Cu-Ni、Cu-Si和Cu-Ni-Si进行价电子结构分析,建立相空间价电子结构计算模型和方法,从相空间价电子结构角度探讨合金元素的合金化行为。计算结果表明:Cu处于第15杂阶,Ni处于第8杂阶,Si处于第2杂阶,Cu-Ni-Si晶胞的最强键上共价电子数达到了0.45722,这说明合金元素Ni和Si的溶入,能够提高纯铜晶胞的原子键引力,强化铜基体。

Cu-Ni-Si系合金的研究进展

概述了一种最有可能代替铍青铜的Cu-Ni-Si系合金的研究进展,从合金的设计原理、微量元素和强化机制等因素,分析了对该类合金的显微组织和性能的影响。Cu-Ni-Si系合金其强化方式为沉淀析出强化,其主要的强化相为Ni_2Si。探讨分析了Cu-Ni-Si中微量元素间的相互作用——双相或多相析出强化,是今后研究Cu-Ni-Si高强高导系列合金的方向之一。

用导电率研究Cu-Ni-Si-Cr合金时效早期相变动力学

通过对固溶态Cu Ni Si Cr合金时效中电阻变化规律的分析 ,研究了合金时效早期析出行为 ,根据导电率与新相的转变体积分数之间的线性关系 ,得出了在一定温度下合金时效的Avrami相变动力学经验方程和导电率与时效时间的一元方程。在 5 0 0℃时效时合金的相变动力学方程为 :f=1-exp(- 0 0 0 4 0t0 70 0 3) ,在此基础上绘制了“S”曲线及等温转变“C”曲线的开始线。

超高强度Cu-Ni-Si合金时效过程研究

利用透射电镜研究了Cu Ni Si合金 4 5 0℃时效的组织转变规律。结果表明 ,时效时过饱和固溶体首先发生成分调幅形成贫、富溶质区 ,之后在溶质富集区通过形核、长大产生与基体保持半共格的Ni2 Si相。时效 4h后 ,Ni2 Si相与基体的半共格关系破坏 ,合金硬度显著下降。利用位错理论计算与铜基体保持半共格界面的Ni2 Si相临界尺寸为r=6nm ,与实测数据非常吻合。

超高强度Cu-Ni-Si合金的研究进展

综述了Cu-Ni-Si系合金开发原理、成分设计及制备工艺,归纳总结了该合金性能与Ni、Si元素的质量比值、添加合金元素的种类和数量以及制备技术之间的关系,并介绍了不同工艺路线下Cu-5.2Ni-1.2Si合金时效后硬度和导电率的变化规律。

添加微量元素对Cu-Ni-Si合金性能的影响

分析了微量元素在改善Cu-Ni-Si合金强度同时又影响导电性的机理,综述了Zn、Cr、P、Al等微量元素对Cu-Ni-Si合金硬度、导电率等的影响规律,表明利用合金化规律在Cu-Ni-Si合金中添加不同的微量元素可以得到强度和导电率匹配良好的超高强度Cu-Ni-Si合金。

高强度Cu-Ni-Si合金时效特性研究

研究了高强度 Cu- Ni- Si合金时效析出特性。结果表明 ,合金经大幅度冷变形再时效可加速析出过程 ,析出物具有与 δ- Ni2 Si相似的正交晶格 。

Cu-Ni-Si合金连续挤压过程中的组织演变及性能

利用光学显微镜、透射电子显微镜(TEM)、维氏硬度仪和万能材料试验机对Cu-Ni-Si合金连续挤压过程中的组织演变和性能特征进行研究。结果表明:Cu-Ni-Si合金在连续挤压过程中发生了第二相颗粒的析出,颗粒大小约为10 nm;与纯铜的连续挤压相比,Cu-Ni-Si合金在连续挤压过程中没有发生明显的动态再结晶,因此,直角弯曲变形区可进一步划分为呈典型织构组织分布的直角弯曲前变形区和直角弯曲后变形区;各变形区的硬度值随着变形量的增加逐渐由95HV上升至194HV,并在粘着区和直角弯曲区出现明显升幅。拉伸实验结果表明:挤压前后,材料的抗拉强度由276 MPa上升至505 MPa,而塑性由22.3%下降至13.4%。

Cu-Ni-Si-Cr合金的时效析出与再结晶

研究了Cu Ni Si Cr合金在时效过程中 ,析出与再结晶的交互作用及其对合金性能的影响。研究结果表明 ,形变使合金时效析出相更加细小、弥散 ,析出对再结晶的形核和长大过程产生阻碍作用。在再结晶的形成和长大过程中 ,析出相在晶界前沿快速粗化或重新溶解 ,并在再结晶区域中重新析出 ,导致更加弥散的析出相分布。

固溶态Cu-Ni-Si合金时效过程的相变动力学

通过分析固溶态Cu-Ni-Si合金时效过程中导电率的变化,根据导电率与新相析出量之间的关系计算时效过程中新相的转变比率,在此基础上,确定不同温度下描述时效析出相转变比率与时效时间的Avrami相变动力学经验方程和导电率随时间变化的导电率方程,绘制出动力学"S"曲线,并且用固态热分解反应机理的积分方程验证用Avrami经验方程来描述合金的析出过程的正确性。对Cu-Ni-Si合金在500℃时效8 h后的析出相进行选区电子衍射花样标定,发现析出相为δ-Ni2Si和β-Ni3Si。