加工工艺对Cu-2Ag-xLa合金强度和导电性能影响机理的研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yzoryanzii
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以机器人、无人机等为代表的高端电子产品趋向小型化、轻质化和结构功能一体化的方向发展,对内部的动力传输线提出更高的力学性能和导电性能的要求。为满足高端超细微合金线材的制备标准,亟需开发新型兼具高强韧性和高导电特性的铜合金,并设计符合合金特性的配套线坯制备工艺。由于Cu-Ag合金具有优良的塑性成形能力和导电特性而被认为是电子信息行业中最具潜力的电力传输线合金材料。随着电子信息行业不断提高超细微丝线材的性能要求,合金线坯的制备标准随之提升。传统二元Cu-Ag合金并不能满足当前线坯的性能要求。为研发并制备高强韧高导Cu-Ag合金线坯,本文采用稀土微合金化的方式,设计出新型三元Cu-Ag-La合金并探究线坯制备工艺对合金性能的影响规律,明确不同加工工艺下合金强化机制和演化过程。本文的主要研究内容如下:熔炼并制备Cu-2Ag-xLa系铸态合金,系统对比并总结Cu-2Ag、Cu-2Ag-0.02La、Cu-2Ag-0.07La 合金铸态组织的分布情况。0.02wt.%La 和 0.07wt.%La 的加入分别将Cu-2Ag铸态合金的屈服强度显著提高了 55.56%和30.16%,由于Cu-2Ag-0.07La合金中初生Ag相含量较高,导致0.07 wt.%La铸态合金的导电率高于前两者。通过TEM分析可知,La将初生相从二元相(Cu和Ag)转变为三元相(Cu、Ag和La)并将Cu-2Ag铸态合金中初生相与基体间的相界面关系从半共格转变为非共格,从而将位错运动过程中的切过模式转变为位错绕过模式。La在固溶过程对铸态Cu-2Ag合金中初生相的消除和形成具有双重作用。当固溶处理保温时间低于24h,La能够促进合金中初生相向基体扩散并降低合金电导率,当固溶处理保温时间超过24h;固溶于基体中的La元素于晶界处反常析出并形成富La相,导致固溶于基体中的La元素含量降低,将固溶态Cu-2Ag合金的电导率从 75%IACS 提高至 81.97%IACS 和 78.35%IACS。Cu-2Ag-xLa固溶态合金在预热过程中于基体内部形成少量弥散细小的析出相,热挤压态合金的平均晶粒尺寸比例分别是d0.02La/d0La=2.25、d0.07La/d0La=3.05。在等温退火过程中(450℃/1-8h),Cu-2Ag、Cu-2Ag-0.02La 和 Cu-2Ag-0.07La 热挤压态合金中的析出相尺寸分别增大至141.91nm、29.87nm和34.46nm。在等时退火过程中(500℃-800℃/4h),Cu-2Ag合金中析出相逐渐聚集长大,最终形成直径约5μm的大尺寸析出相;而Cu-2Ag-0.02La和Cu-2Ag-0.07La合金中未形成大尺寸析出相。表明La能够显著增强高温下合金内析出相的热稳定性。此外,热挤压态0.02La和0.07La合金的导电率分别比0La合金高1.1%IACS和0.3%IACS。经过连续挤压后,Cu-2Ag、Cu-2Ag-0.02La和Cu-2Ag-0.07La合金中五种面心立方金属的常规织构(Copper型、Goss型、Cube型、Brass型和R型织构)强度均较低且比例均匀。La能够消除Cu-2Ag连续挤压态合金表面的“凹坑状”缺陷和“流线状”缺陷,显著优化合金表面质量。连续挤压态0La合金、0.02La合金和0.07La合金的导电率近乎相同。在拉拔过程,在拉拔模具轴向拉应力和径向压应力的双重作用下,Cu-2Ag、Cu-2Ag-0.02La和Cu-2Ag-0.07La合金心部组织易形成Copper型织构,织构比例分数分别为47.5%、45.1%和45.8%;而边侧组织在拉拔模具的额外切应力作用下易形成Brass型织构,对应的织构比例分数分别为32.0%、29.7%和24.9%。La通过减少热挤压态Cu-2Ag合金内非连续析出相的数量提高基体晶界强度,从而降低Cu-2Ag-0.02La和Cu-2Ag-0.07La合金心部和边侧组织在拉拔过程中形成Copper型和Brass型织构强度,提高合金整体的织构均匀性并降低合金沿<111>方向织构强度和比例分数。在退火过程中,La通过抑制Cu-2Ag合金中Ag析出相的形成,从而细化Ag析出相的平均尺寸。与退火态Cu-2Ag合金相比,Cu-2Ag-0.02La和Cu-2Ag-0.07La合金中Ag析出相不仅在低温退火过程中抑制位错运动提高合金临界再结晶温度;并且在高温退火过程中钉扎晶界迁移显著细化退火态合金晶粒尺寸,显著提高Cu-2Ag-0.02La和Cu-2Ag-0.07La合金中析出强化的贡献量。由于La提高拉拔态合金的临界再结晶温度,导致低温退火态Cu-2Ag合金导电率高于Cu-2Ag-0.02La和Cu-2Ag-0.07La合金。而在后续高温退火过程中,由于La元素在Ag析出相表层偏聚,阻隔基体与析出相间的扩散,抑制Ag析出相长大。退火过程中,Cu-2Ag-0.02La和Cu-2Ag-0.07La合金的导电率略高于Cu-2Ag合金。本文通过稀土微合金化的方式提出并设计新型高强韧高导电Cu-Ag-La合金系,对比不同工艺路径下合金的组织演变、性能变化和导电特性,对不同工艺状态下合金的强化机制进行定量分析,奠定新型Cu-2Ag-La合金的理论研发基础,同时为合金线坯制备工艺的选择和优化提供重要参考。
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