通过粉末冶金与热轧混合工艺制备的Y2O3弥散强化铜合金的微观结构与性能表征

《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructure and property characterization of Y 2O 3 dispersion-strengthened copper alloy prepared by powder metallurgy and hot rolling hybrid process

　　

Jintao Li|Qiliang Luo|Zezou Rao|Jiao Hu|Yan Chen|Li Ma|Jiancheng Tang|Haiou Zhuo

中国南昌市南昌大学物理与材料科学学院，邮编330031

摘要

氧化物弥散强化铜合金在聚变反应堆的散热材料方面具有巨大潜力。本研究采用共振声波混合技术合成了Cu-Y₂O₃复合粉末，再通过烧结结合热轧工艺制备了Y₂O₃含量为0.5%–2.0%的Cu-Y₂O₃复合材料。系统研究了Y₂O₃含量对复合材料微观结构及性能的影响。Y₂O₃的加入可抑制晶粒生长和再结晶，从而降低平均晶粒尺寸，增加LAGBs比例和位错密度。此外，Y₂O₃与铜基体之间的界面为非相干界面，其特定取向为${(11\stackrel{?}{1})}_{\text{Cu}}//{(2\stackrel{?}{2}2)}_{{\text{Y}}_2{\text{O}}_3}$。随着Y₂O₃含量的增加，材料的机械性能也有所提升，当Y₂O₃含量为2.0%时，其显微硬度可达113.82 HV，抗拉强度可达494.97 MPa，这一提升主要得益于细晶强化、奥罗万强化和位错强化作用。而电导率和热导率则随Y₂O₃含量的增加而下降，1.0% Y₂O₃含量时热导率最高，室温下为370.23 W/(m·K)，650°C时为352.65 W/(m·K)。本研究证明了利用声波共振合成的复合粉末来制备Cu-Y₂O₃复合材料的可行性，为开发氧化物弥散强化铜材料提供了新的途径。

引言

由于优异的热导率、高强度以及抗中子辐照能力，铜合金被视为聚变反应堆偏滤器中散热应用的首选材料[1]，[2]。目前国际热核实验反应堆（ITER）的偏滤器所使用的散热材料主要是CuCrZr合金[3]，[4]。CuCrZr是一种典型的沉淀硬化合金，其在室温下具有出色的机械性能和热导率。通常通过固溶处理后再进行时效处理来优化其性能，通过形成纳米级的铬析出物来实现强化[5]，[6]。然而，这种沉淀强化机制在高温下存在微观结构不稳定的问题[7]。当工作温度超过时效温度时，铬析出物可能会显著粗化甚至完全溶解，从而导致合金的机械强度和导电性急剧下降[8]。在铜中添加高熔点物质可以改善其高温性能，比如MoCuMo[9]、MoCu[10]、CuW[11]以及氧化物弥散强化铜合金[12]，[13]，[14]。对于CuMoCu材料，其层状结构限制了热量散发的方向[9]。而MoCu和CuW合金[10]，[11]的热导率约为200 W/(m·K)，但由于钼和钨含量较高，其电导率仅约为60% IACS。

氧化物弥散强化铜合金是一类高性能铜合金，具有优异的室温和高温强度以及电导率和热导率[12]，[13]，[14]。这种强化机制主要是通过在铜基体中引入纳米级热稳定性氧化物颗粒（如Y₂O₃、Al₂O₃等）。这些颗粒通过钉扎效应同时阻碍位错运动和晶界迁移，从而保持优异的机械性能[15]，[16]，[17]，[18]。目前，Cu-Al₂O₃是应用最广泛的氧化物弥散强化铜合金。张等人[8]比较了CuCrZr和Cu-Al₂O₃合金的高温稳定性，发现Cu-Al₂O₃的软化温度可达900–1000°C，而CuCrZr合金的软化温度为500–600°C。此外还有研究指出，在700°C下退火后，晶粒内的Al₂O₃颗粒保持稳定，而晶界处的颗粒则会有轻微粗化现象[19]。不过，Al₂O₃颗粒与铜基体之间的界面热阻相对较高，这大大降低了材料的热导率。另外，Al₂O₃颗粒的粗化能仅为44.1 kJ/mol，这也限制了氧化物弥散强化铜合金的高温稳定性[20]。而Y₂O₃颗粒的粗化能为58.9 kJ/mol，因此Y₂O₃具有更高的热稳定性，有助于提升氧化物弥散强化铜合金的高温性能[21]。Y₂O₃还能与其他高活性固溶元素（如锆）形成复合氧化物，并与铜基体形成良好的界面结合，从而减少界面应力，对热导率的影响相对较小[22]，[23]。引入Y₂O₃颗粒可使铜基复合材料获得双重强化效果，包括颗粒强化和细晶强化两种作用[24]，[25]。

目前，氧化物弥散强化铜合金主要通过机械合金化法和内部氧化法等工艺制备[26]，[27]。但由于钇在铜中的固溶度有限且扩散速率较慢，无法得到均匀的Cu-Y固溶体[28]，因此内部氧化法并不适合用于制备Cu-Y₂O₃复合材料。机械合金化是一种通过高能球磨来合成合金材料的粉末加工技术[29]。Aghamiri等人[30]通过机械合金化工艺制备了含0.42 wt.% Y₂O₃的铜合金，成功得到了屈服强度为272 MPa、延伸率为12%的材料。马等人[31]则利用Cu₆Y金属间化合物作为新型钇源，通过机械合金化-热等静压工艺制备出了氧化物弥散强化铜合金，最终在铜晶粒内及晶界附近均获得了尺寸约为30 nm的Y₂O₃颗粒。不过，该方法的加工效率相对较低，且可能存在杂质元素掺入的问题，这给大规模生产氧化物弥散强化铜合金带来了挑战[28]。共振声波混合技术是一种基于低频振动共振原理的新型高效混合技术，由于其具备无污染、能耗低以及混合均匀性极高的优点，因此在先进材料合成领域展现出广阔的应用前景[32]。与机械合金化的高能冲击机制不同，共振声波混合技术是通过多维度声波共振来实现粉末均匀化的，能有效避免因机械磨损导致的杂质污染和颗粒团聚现象。

本研究采用共振声波混合技术合成了Y₂O₃含量不同的Cu-Y₂O₃复合粉末，Y₂O₃含量范围为0.5 wt.%–2.0 wt.%。这些复合粉末首先经过冷等静压成型，然后在氢气氛围中烧结。之后，样品还经过热轧处理，以进一步优化晶粒结构并提高密度，期望由此协同提升材料的机械性能和电学性能。同时，本研究还系统分析了Y₂O₃颗粒对Cu-Y₂O₃复合材料的微观结构演变、导电性能及机械性能的影响。本研究证明了通过所提出的方法制备Cu-Y₂O₃复合材料的可行性，为开发适用于聚变反应堆应用的氧化物弥散强化铜材料提供了新的策略。

章节节选

材料与制备

在本实验中，所用原材料为电解铜粉（纯度99.9%，由苏州福库达金属有限公司提供）和Y₂O₃纳米粉（纯度99.99%，粒径为100 nm，由上海麦克林生物化学技术有限公司提供）。如图1(a–d)所示，电解铜粉呈树枝状形态，平均粒径为32.1 μm。由于存在团聚现象，Y₂O₃粉的粒径分布呈现双峰特征，其中位直径D50为7.8 μm。

相对密度

烧结温度的选择对Cu-Y₂O₃复合材料的最终密度和机械强度有着重要影响。图2展示了在不同温度下烧结的Cu-1.0%Y₂O₃复合材料的扫描电子显微镜图像及相对密度。随着烧结温度的升高，复合材料的相对密度也逐渐上升，从990°C时的83.9%上升至1070°C时的96.1%。扫描电子显微镜图像也证实了这一趋势，显示材料的孔隙率逐渐降低。

结论

本研究通过烧结后再经轧制处理的方法，制备了不同Y₂O₃含量（0.5%–2.0%）的Cu-Y₂O₃复合材料。所有制备的复合材料相对密度均超过98%，且内部缺陷极少。本研究系统研究了不同Y₂O₃含量的Cu-Y₂O₃复合材料的微观结构、机械性能、电导率及热导率。主要结论如下：

• (1)
  Y₂O₃的引入能够有效抑制

作者贡献说明

Jintao Li：论文撰写——初稿编写、可视化处理、结果验证、实验指导、软件应用、方法设计、研究实施、正式分析、数据整理、概念构思。 Qiliang Luo：可视化处理、结果验证、实验指导、资源协调、项目管理、资金筹集。 Zezou Rao：软件应用、方法设计、正式分析、数据整理。 Jiao Hu：软件应用、方法设计、正式分析。 Yan Chen：可视化处理、研究实施、正式分析。 Li Ma：实验指导、研究实施。 Jiancheng Tang：

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52363031）、赣鄱英才支持计划——重点学科领军学术和技术人才发展项目（编号：20232BCJ22028）、江西省自然科学基金（编号：20252BAC240137）以及江西省重点研发计划项目（编号：20243BBG71027）的资助。