微量Sc添加对Cu-Ni-Ti合金微观结构、力学性能及热稳定性的协同优化机制研究

【编辑推荐】针对铜基合金强度与导电性难以协同提升的行业难题，研究人员通过微量Sc合金化策略系统研究了Cu-3Ni-1Ti-xSc体系的性能优化机制。研究发现0.2wt.%Sc添加可使合金在500°C时效8h后获得856.7MPa抗拉强度与45.8%IACS导电率的优异组合，其关键在于(Cu,Ni)4Sc金属间化合物与D024-Ni3Ti纳米析出相的协同强化作用，为高性能引线框架材料开发提供新思路。

　　

随着集成电路向高密度化发展，引线框架材料面临强度与导电性难以兼得的"卡脖子"问题。传统Cu-Fe-P合金因再结晶温度低限制性能提升，Cu-Cr-Zr体系则存在工业化生产难题。尽管Cu-Ni-Si合金通过δ-Ni₂Si相沉淀展现潜力，但现有Cu-Ni-Ti合金最高强度仅635MPa，难以满足先进封装需求。

为解决这一关键材料瓶颈，江西省自然科学基金和国家自然科学基金支持的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表创新成果。研究人员采用真空感应熔炼结合多尺度表征技术，系统探究了Sc微合金化对Cu-3Ni-1Ti体系的调控机制。通过SEM/TEM/HRTEM等先进表征手段，首次揭示(Cu,Ni)₄Sc相在晶界的偏聚行为及其与Ni₃Ti沉淀相的协同作用规律。

材料与方法
研究选用99.95%高纯原料制备Cu-3Ni-1Ti-xSc（x=0.1-0.4）合金，经850°C×12h均匀化处理后进行多道次冷轧及时效处理。采用万能试验机测试力学性能，涡流导电仪测量电导率，结合EBSD、XRD等分析微观结构演变。

力学与电学性能
时效动力学曲线显示0.2wt.%Sc添加使峰值硬度达245.5HV，较基础合金提升27%。该成分在500°C时效8h后展现856.7MPa抗拉强度与45.8%IACS导电率的最佳组合，延伸率保持6%。值得注意的是，延长时效至14h仍能维持243.8HV硬度，证实Sc显著提升过时效抗力。

微观结构演变
TEM分析发现Sc促进形成20-50nm的(Cu,Ni)₄Sc相，其在晶界的钉扎效应使再结晶温度提升至640°C。HRTEM确认5-10nm的D0₂₄-Ni₃Ti相为主要强化相，其与基体的半共格界面可同时降低电子散射。定量计算表明位错强化与沉淀强化贡献率达73.5%屈服强度。

结论与意义
该研究突破性发现微量Sc通过三重机制协同优化合金性能：①(Cu,Ni)₄Sc相细化晶粒并抑制再结晶；②促进Ni₃Ti纳米相均匀析出；③Sc偏聚降低晶界能。所开发的Cu-3Ni-1Ti-0.2Sc合金软化温度较工业标准提升140°C，为目前报道的强度最高（856.7MPa）的铜镍钛系合金，其"强度-导电率-热稳定性"协同优化机制为新一代引线框架材料设计提供重要理论依据。