通过原位合成的ZrC颗粒和热机械加工技术，平衡Cu-3Zr合金的机械性能与电导率

《Journal of Materials Research and Technology》：Balancing the mechanical properties and electrical conductivity of Cu-3Zr alloy by in-situ synthesized ZrC and thermomechanical processing

本研究通过粉末冶金和热机械加工制备了Cu-3Zr-xC（x=0.2,0.4,0.6 wt%）复合材料，发现添加0.2wt.%石墨可形成细小ZrC颗粒沿晶界分布，优化晶粒结构和织构，显著提升导电性（78% IACS）和力学性能（抗拉强度658 MPa，延伸率6.5%），为高性能电子封装材料提供新方案。

　　在现代工业中，铜基材料因其优良的导电性和机械性能而广泛应用于精密电子部件、引线框架和高速铁路导线等关键领域。随着技术的发展，研究者们逐渐认识到通过添加特定元素或化合物来优化铜基材料性能的潜力。近年来，铜-锆（Cu-Zr）合金和铜-碳化锆（Cu-ZrC）复合材料因其在强度与导电性之间的良好平衡而受到关注。本研究旨在通过粉末冶金工艺和两阶段热机械加工方法，将片状石墨（C）引入Cu-3Zr合金中，制备出不同碳含量（0.2, 0.4, 0.6 wt.%）的Cu-3Zr-xC复合材料，并系统研究其微观结构与电-机械性能之间的关系。

研究结果显示，与原始烧结的Cu-3Zr合金相比，随着碳含量的增加，复合材料的延展性呈现先升高后降低的趋势，而抗拉强度则持续下降。然而，其导电性却随着碳含量的增加而显著提高，分别提升了9.84%、13.11%和16.39%。这表明，在特定的碳含量范围内，石墨的添加能够有效提升材料的综合性能。在所有复合材料中，当碳含量为0.2 wt.%时，材料在保持较高导电性的前提下，其抗拉强度达到658 MPa，屈服强度为573 MPa，延展性为6.5%，导电性为78%IACS，展现出最佳的性能平衡。这一发现对于开发高性能铜基材料具有重要意义。

从微观结构分析来看，原始Cu-3Zr合金中存在粗大的Cu_xZr_y金属间化合物，这些化合物在晶界和晶粒内部随机分布，而Cu-3Zr-0.2C复合材料中则主要形成细小的ZrC颗粒，并且这些颗粒主要分布在晶界处。ZrC颗粒的体积分数低于Cu_xZr_y金属间化合物，这主要是由于碳与锆之间强烈的反应倾向，使得碳能够有效地净化铜基体，减少杂质对导电性的不利影响。此外，定向排列的铜晶粒不仅有助于电子的快速传输，还能产生特殊的载荷传递效应，从而在一定程度上提升材料的导电性和延展性。

进一步的分析表明，尽管碳的添加会导致抗拉强度的下降，但通过适当的热机械加工（如热挤压和冷拉伸），可以有效改善材料的综合性能。热挤压和冷拉伸不仅有助于细化ZrC颗粒和铜晶粒，还能增加位错密度，形成特殊的织构，从而提升材料的强度和延展性。同时，这些加工过程还能优化材料的织构分布，提高其可加工性。特别是，在冷拉伸后，Cu-3Zr-0.2C复合材料的抗拉强度和导电性均有所提升，其中抗拉强度提高了4.3%，导电性提高了5.4%。

在热机械加工过程中，材料的织构演变也得到了深入研究。通过电子背散射衍射（EBSD）技术，发现铜-锆合金和铜-碳化锆复合材料在加工后均呈现出明显的Brass织构。然而，添加石墨后，Brass织构的强度有所降低，这有助于改善材料的变形能力和延展性。此外，材料在加工过程中还形成了特殊的晶界分布，使得电子传输路径更加顺畅，从而提升导电性。

研究还通过热力学分析揭示了不同反应路径的可能性。计算结果表明，ZrC的形成在热力学上比其他铜-锆金属间化合物更为有利，这使得ZrC成为一种主要的强化相。同时，通过动力学分析，发现Zr在Cu基体中的扩散行为对最终的微观结构和性能有着重要影响。在热挤压和冷拉伸过程中，Zr的扩散行为导致了ZrC颗粒的形成，并且这些颗粒的分布和尺寸受到加工条件的显著影响。

综上所述，本研究通过合理的碳添加和热机械加工工艺，成功制备出具有优异电-机械性能的Cu-3Zr-xC复合材料。其中，0.2 wt.%碳含量的复合材料在强度和导电性之间达到了最佳平衡，展现出良好的应用前景。此外，研究还揭示了碳添加和热机械加工对材料微观结构和性能的协同作用机制，为未来开发高性能铜基材料提供了理论依据和技术支持。