高强高导铜铬锆合金晶体生长行为及电磁场调控机制

在国家自然科学基金“高强高导铜铬锆合金晶体生长行为及电磁场调控机制-批准号：U1332115”的资助下，依托上海/北京同步辐射光源国家重大科学装置平台，我们圆满的完成了预定计划中的各项工作。首先，依托同步辐射装置，建立了一整套能够进行原位真空加热的装置，并利用同步辐射衍射技术对铜铬锆合金的相变过程进行了表征。其次，完成电场施加装置和低温轧制装置的搭建与调试运行，研究了外加电场，稀土元素及轧制温度对铜铬锆合金微观组织及性能的调控规律，发现外加电场能够降低析出相尺寸，提高其强度；稀土元素能够细化晶粒，提高位错密度；低温轧制则能够促进形变孪晶的形成，并显著提高其强度。结合上述实验结果，我们制备出了兼具高强高导的CuCrZr合金板材(抗拉强度609 MPa、电导率76.7%IACS)及具有超高强度的CuCrZr合金板材(抗拉强度690 MPa，电导率为67%IACS)。 依托此项目培养了青年教师接金川一名，博士研究生戚俊成、曹飞、王维、邹存磊、李仁庚5名，硕士研究生梁春辉、李明宇、张邵建3名；发表SCI 期刊论文42篇，会议论文8篇，其中期刊论文IF>2 的23 篇；撰写发明专利2篇。此外，项目组牵头申报并获得2014年教育部技术发明奖一等奖1项(项目负责人排名第一)，辽宁省自然科学学术成果二等奖1项(项目负责人排名第一), 2015年国家技术发明奖二等奖1项(项目负责人排名第二)，2016年日内瓦国际发明展金奖(项目负责人排名第二),项目负责人获评2015年科技部中青年科技创新领军人才。

随着我国高铁网络的迅猛扩展及时速记录的不断刷新，对高铁接触线铜合金材料的结构强度与导电功能提出了越来越高的要求。高强高导铜铬锆合金是运行速度大于300km/h高速列车接触线的重要用材，接触线性能直接关系着高铁运行的安全。我们的前期研究结果表明施加电磁场可有效改善铜铬锆合金的凝固组织与力学性能，但由于原位分析手段的缺失，对电磁场调控的微观动力学机制缺乏足够的认知，这已成为制约工艺进一步发展的瓶颈。本项目依托我国大科学装置，应用高能同步辐射硬X射线原位成像与衍射技术，对电磁场调控下铜铬锆合金凝固过程中晶体的形核与生长、成分迁移、缺陷形成等进行实时成像与原位表征。系统研究电磁参数、凝固条件等对铜铬锆合金晶体生长行为的调控规律，深入理解电磁场调控铜铬锆合金凝固组织的动力学机制，为发展适合于工业应用的铜铬锆合金电磁连铸技术提供理论依据，满足高铁发展对结构功能一体化材料的需求。

项目完成了超高强定向凝固NiTi-Al基金属间化合物的制备及取向优化控制，并揭示其微观力学行为和强韧化机制。[001]取向合金具有高强度和超线弹性，弹性极限最高可达4%，但其断口组织处未见位错和孪晶等塑性变形特征。[102]取向合金应力应变曲线展现出塑性，弹性极限下降为2%左右，有明显屈服现象，断口处存在{112}<111> 变形孪晶。SEM原位拉伸结果发现[102]取向合金裂纹源首先在脆性强化相Ti2Ni相或Nb /Ti2Ni共生组织中萌生，裂纹扩展缓慢，当应力积累到1500N时，裂纹扩展开裂。断口表面基体组织中发现较为密集的变形迹线，对变形迹线进一步分析表明，它们包括滑移带和孪晶，主要是（-211）<111>位错滑移和（12-1）<-111>变形孪晶。TEM原位拉伸结果进一步证实，在裂纹扩展前未发现位错和孪晶，裂纹扩展同时在裂尖前方应力诱发形变孪晶，释放应力，裂纹沿孪晶界呈锯齿状继续扩展，引发裂尖位错形成，应力不断集中与释放的过程，使裂尖形态不断重复由尖锐变钝过程。TEM高分辨发现在部分变形孪晶界上发现了ω相析出，与基体的取向关系为[-113]B2//[2-1-1-3]ω, (110)B2//(1-101)ω和 (2-11)B2//(0-110)ω，ω相晶格常数与bcc基体关系如下：a_ω=√2 a_bcc，c_ω=√3⁄2 a_bcc，c_ω⁄a_ω ≈0.612，空间群为D_6h^1 (P6⁄mmm)，其惯习面位于bcc基体相的{112}面。高温拉伸时富Nb相和Ti2Ni相动态球化，大量纳米级β-Nb相析出，800℃拉伸时纳米相对位错有一定的钉扎作用。随着拉伸温度增加至900℃，有再结晶现象发生，纳米级β-Nb粗化，Nb的固溶强化作用和对位错钉扎作用减弱，高温强度取决于纳米Nb析出相与位错交互强化作用，Nb析出后引起固溶强化效果弱化以及高温再结晶软化几方面共同作用。在NiTi-Al基合金中发现了一种含20%Nb的新强化相，具有孪晶或非孪晶两种形态，晶体结构确定为底心单斜结构：a = 0.987 nm, b = 0.504 nm, c = 1.172 nm, α = γ = 90°, β = 130.18°，空间群为C2/c。NiTi-Al金属间化合物通过取向优化和成分优化可获得塑性、高强度、高弹性极限的良好匹配。完成了项目的研究内容，并达到研究目标。 2100433B

NiTi-Al金属间化合物是有望满足先进航空发动机中温区使用的超高强新型结构材料。申请者前期采用定向凝固和微合金化法获得了拉伸强度超过2000MPa，断裂韧性为35 MPaom^1/2以上的B2型NiTi-Al金属间化合物，其力学特性表现为超线弹性变形及韧性断裂特征，既不同于B2结构NiAl和FeAl的脆性断裂行为，也不同于NiTi形状记忆合金马氏体相变引起的伪弹性行为。TEM表明，NiTi-Al超高强度和韧性断裂与其形变孪晶与位错、析出相及微裂纹萌生均发生了相互作用有关。本项目拟以定向凝固NiTi-Al结构材料为研究对象，阐明其宏观力学行为，确定高强度和高韧性的关键可控因素，明确孪晶形成机理，孪晶与位错、共格析出相、以及微裂纹萌生与扩展之间相互作用机制，建立宏观力学行为和微观形变机制内在联系，揭示NiTi-Al金属间化合物力学行为和强韧化机理，为发展新型轻质高性能超高强结构材料奠定基础。

高强高导Cu-Cr-Zr合金接触线是高速铁路列车速度和安全性能提升的关键材料，市场需求巨大。目前我国高性能Cu-Cr-Zr合金接触线制备技术落后、主要依赖进口，严重制约了高铁产业的快速发展。本项目将二段式热冷组合铸型水平连铸技术应用于Cu-Cr-Zr合金凝固组织的精确控制，提出采用“二段式热冷组合铸型水平连铸 冷轧变形 形变-时效处理”的工艺方案制备高性能Cu-Cr-Zr合金接触线的新思路。通过重点研究和阐明“柱状晶组织合金的变形特征与机制”、“合金形变-时效交互作用规律与累积强化机制”两个科学问题，开发一种高性能Cu-Cr-Zr合金短流程高效制备加工工艺，解决现有Cu-Cr-Zr合金制备工艺需热加工开坯和表面清洗、工艺流程长、生产成本高等问题。