高強(qiáng)高導(dǎo)銅鉻鋯合金晶體生長(zhǎng)行為及電磁場(chǎng)調(diào)控機(jī)制

在國(guó)家自然科學(xué)基金“高強(qiáng)高導(dǎo)銅鉻鋯合金晶體生長(zhǎng)行為及電磁場(chǎng)調(diào)控機(jī)制-批準(zhǔn)號(hào)：U1332115”的資助下，依托上海/北京同步輻射光源國(guó)家重大科學(xué)裝置平臺(tái)，我們圓滿的完成了預(yù)定計(jì)劃中的各項(xiàng)工作。首先，依托同步輻射裝置，建立了一整套能夠進(jìn)行原位真空加熱的裝置，并利用同步輻射衍射技術(shù)對(duì)銅鉻鋯合金的相變過(guò)程進(jìn)行了表征。其次，完成電場(chǎng)施加裝置和低溫軋制裝置的搭建與調(diào)試運(yùn)行，研究了外加電場(chǎng)，稀土元素及軋制溫度對(duì)銅鉻鋯合金微觀組織及性能的調(diào)控規(guī)律，發(fā)現(xiàn)外加電場(chǎng)能夠降低析出相尺寸，提高其強(qiáng)度；稀土元素能夠細(xì)化晶粒，提高位錯(cuò)密度；低溫軋制則能夠促進(jìn)形變孿晶的形成，并顯著提高其強(qiáng)度。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們制備出了兼具高強(qiáng)高導(dǎo)的CuCrZr合金板材(抗拉強(qiáng)度609 MPa、電導(dǎo)率76.7%IACS)及具有超高強(qiáng)度的CuCrZr合金板材(抗拉強(qiáng)度690 MPa，電導(dǎo)率為67%IACS)。 依托此項(xiàng)目培養(yǎng)了青年教師接金川一名，博士研究生戚俊成、曹飛、王維、鄒存磊、李仁庚5名，碩士研究生梁春輝、李明宇、張邵建3名；發(fā)表SCI 期刊論文42篇，會(huì)議論文8篇，其中期刊論文IF>2 的23 篇；撰寫發(fā)明專利2篇。此外，項(xiàng)目組牽頭申報(bào)并獲得2014年教育部技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)(項(xiàng)目負(fù)責(zé)人排名第一)，遼寧省自然科學(xué)學(xué)術(shù)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(項(xiàng)目負(fù)責(zé)人排名第一), 2015年國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(項(xiàng)目負(fù)責(zé)人排名第二)，2016年日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)(項(xiàng)目負(fù)責(zé)人排名第二),項(xiàng)目負(fù)責(zé)人獲評(píng)2015年科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。

隨著我國(guó)高鐵網(wǎng)絡(luò)的迅猛擴(kuò)展及時(shí)速記錄的不斷刷新，對(duì)高鐵接觸線銅合金材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與導(dǎo)電功能提出了越來(lái)越高的要求。高強(qiáng)高導(dǎo)銅鉻鋯合金是運(yùn)行速度大于300km/h高速列車接觸線的重要用材，接觸線性能直接關(guān)系著高鐵運(yùn)行的安全。我們的前期研究結(jié)果表明施加電磁場(chǎng)可有效改善銅鉻鋯合金的凝固組織與力學(xué)性能，但由于原位分析手段的缺失，對(duì)電磁場(chǎng)調(diào)控的微觀動(dòng)力學(xué)機(jī)制缺乏足夠的認(rèn)知，這已成為制約工藝進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。本項(xiàng)目依托我國(guó)大科學(xué)裝置，應(yīng)用高能同步輻射硬X射線原位成像與衍射技術(shù)，對(duì)電磁場(chǎng)調(diào)控下銅鉻鋯合金凝固過(guò)程中晶體的形核與生長(zhǎng)、成分遷移、缺陷形成等進(jìn)行實(shí)時(shí)成像與原位表征。系統(tǒng)研究電磁參數(shù)、凝固條件等對(duì)銅鉻鋯合金晶體生長(zhǎng)行為的調(diào)控規(guī)律，深入理解電磁場(chǎng)調(diào)控銅鉻鋯合金凝固組織的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為發(fā)展適合于工業(yè)應(yīng)用的銅鉻鋯合金電磁連鑄技術(shù)提供理論依據(jù)，滿足高鐵發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)功能一體化材料的需求。

項(xiàng)目完成了超高強(qiáng)定向凝固N(yùn)iTi-Al基金屬間化合物的制備及取向優(yōu)化控制，并揭示其微觀力學(xué)行為和強(qiáng)韌化機(jī)制。[001]取向合金具有高強(qiáng)度和超線彈性，彈性極限最高可達(dá)4%，但其斷口組織處未見(jiàn)位錯(cuò)和孿晶等塑性變形特征。[102]取向合金應(yīng)力應(yīng)變曲線展現(xiàn)出塑性，彈性極限下降為2%左右，有明顯屈服現(xiàn)象，斷口處存在{112}<111> 變形孿晶。SEM原位拉伸結(jié)果發(fā)現(xiàn)[102]取向合金裂紋源首先在脆性強(qiáng)化相Ti2Ni相或Nb /Ti2Ni共生組織中萌生，裂紋擴(kuò)展緩慢，當(dāng)應(yīng)力積累到1500N時(shí)，裂紋擴(kuò)展開(kāi)裂。斷口表面基體組織中發(fā)現(xiàn)較為密集的變形跡線，對(duì)變形跡線進(jìn)一步分析表明，它們包括滑移帶和孿晶，主要是（-211）<111>位錯(cuò)滑移和（12-1）<-111>變形孿晶。TEM原位拉伸結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，在裂紋擴(kuò)展前未發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)和孿晶，裂紋擴(kuò)展同時(shí)在裂尖前方應(yīng)力誘發(fā)形變孿晶，釋放應(yīng)力，裂紋沿孿晶界呈鋸齒狀繼續(xù)擴(kuò)展，引發(fā)裂尖位錯(cuò)形成，應(yīng)力不斷集中與釋放的過(guò)程，使裂尖形態(tài)不斷重復(fù)由尖銳變鈍過(guò)程。TEM高分辨發(fā)現(xiàn)在部分變形孿晶界上發(fā)現(xiàn)了ω相析出，與基體的取向關(guān)系為[-113]B2//[2-1-1-3]ω, (110)B2//(1-101)ω和 (2-11)B2//(0-110)ω，ω相晶格常數(shù)與bcc基體關(guān)系如下：a_ω=√2 a_bcc，c_ω=√3?2 a_bcc，c_ω?a_ω ≈0.612，空間群為D_6h^1 (P6?mmm)，其慣習(xí)面位于bcc基體相的{112}面。高溫拉伸時(shí)富Nb相和Ti2Ni相動(dòng)態(tài)球化，大量納米級(jí)β-Nb相析出，800℃拉伸時(shí)納米相對(duì)位錯(cuò)有一定的釘扎作用。隨著拉伸溫度增加至900℃，有再結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)生，納米級(jí)β-Nb粗化，Nb的固溶強(qiáng)化作用和對(duì)位錯(cuò)釘扎作用減弱，高溫強(qiáng)度取決于納米Nb析出相與位錯(cuò)交互強(qiáng)化作用，Nb析出后引起固溶強(qiáng)化效果弱化以及高溫再結(jié)晶軟化幾方面共同作用。在NiTi-Al基合金中發(fā)現(xiàn)了一種含20%Nb的新強(qiáng)化相，具有孿晶或非孿晶兩種形態(tài)，晶體結(jié)構(gòu)確定為底心單斜結(jié)構(gòu)：a = 0.987 nm, b = 0.504 nm, c = 1.172 nm, α = γ = 90°, β = 130.18°，空間群為C2/c。NiTi-Al金屬間化合物通過(guò)取向優(yōu)化和成分優(yōu)化可獲得塑性、高強(qiáng)度、高彈性極限的良好匹配。完成了項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容，并達(dá)到研究目標(biāo)。 2100433B

NiTi-Al金屬間化合物是有望滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中溫區(qū)使用的超高強(qiáng)新型結(jié)構(gòu)材料。申請(qǐng)者前期采用定向凝固和微合金化法獲得了拉伸強(qiáng)度超過(guò)2000MPa，斷裂韌性為35 MPaom^1/2以上的B2型NiTi-Al金屬間化合物，其力學(xué)特性表現(xiàn)為超線彈性變形及韌性斷裂特征，既不同于B2結(jié)構(gòu)NiAl和FeAl的脆性斷裂行為，也不同于NiTi形狀記憶合金馬氏體相變引起的偽彈性行為。TEM表明，NiTi-Al超高強(qiáng)度和韌性斷裂與其形變孿晶與位錯(cuò)、析出相及微裂紋萌生均發(fā)生了相互作用有關(guān)。本項(xiàng)目擬以定向凝固N(yùn)iTi-Al結(jié)構(gòu)材料為研究對(duì)象，闡明其宏觀力學(xué)行為，確定高強(qiáng)度和高韌性的關(guān)鍵可控因素，明確孿晶形成機(jī)理，孿晶與位錯(cuò)、共格析出相、以及微裂紋萌生與擴(kuò)展之間相互作用機(jī)制，建立宏觀力學(xué)行為和微觀形變機(jī)制內(nèi)在聯(lián)系，揭示NiTi-Al金屬間化合物力學(xué)行為和強(qiáng)韌化機(jī)理，為發(fā)展新型輕質(zhì)高性能超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料奠定基礎(chǔ)。

高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr合金接觸線是高速鐵路列車速度和安全性能提升的關(guān)鍵材料，市場(chǎng)需求巨大。目前我國(guó)高性能Cu-Cr-Zr合金接觸線制備技術(shù)落后、主要依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約了高鐵產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。本項(xiàng)目將二段式熱冷組合鑄型水平連鑄技術(shù)應(yīng)用于Cu-Cr-Zr合金凝固組織的精確控制，提出采用“二段式熱冷組合鑄型水平連鑄 冷軋變形 形變-時(shí)效處理”的工藝方案制備高性能Cu-Cr-Zr合金接觸線的新思路。通過(guò)重點(diǎn)研究和闡明“柱狀晶組織合金的變形特征與機(jī)制”、“合金形變-時(shí)效交互作用規(guī)律與累積強(qiáng)化機(jī)制”兩個(gè)科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種高性能Cu-Cr-Zr合金短流程高效制備加工工藝，解決現(xiàn)有Cu-Cr-Zr合金制備工藝需熱加工開(kāi)坯和表面清洗、工藝流程長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。