搅拌摩擦加工与时效处理协同修复Cu-Cr-Zr合金裂纹并恢复其锻造力学性能

推荐：针对Cu-Cr-Zr合金模具因熔钢侵蚀和热疲劳导致裂纹的问题，研究人员通过搅拌摩擦加工(FSP)结合时效处理实现裂纹修复。研究显示，修复区(RZ)形成平均晶粒尺寸0.55 μm的超细晶组织，经450℃/1h时效后析出纳米级共格FCC-Cr相，使显微硬度(146 HV)和抗拉强度(456 MPa)恢复至基材(BM)的91.3%和95%，磨损率降至5.81×10-4 mm3N-1m-1，为高价值铜合金部件修复提供高效经济方案。

　　

铜合金作为连铸模具的核心材料，长期承受着熔融钢水的冲刷和高达800℃的热循环载荷。这种极端工况会导致Cu-Cr-Zr合金表面产生深度达2mm的裂纹，传统电弧焊修复会因高热输入引发晶粒粗化和析出相溶解，而冷喷涂技术又面临界面结合力不足的瓶颈。如何在不降低材料性能的前提下实现裂纹修复，成为制约连铸产业发展的"卡脖子"难题。

为解决这一挑战，中国的研究团队创新性地采用搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing, FSP)结合时效处理的协同修复策略。通过优化工艺参数，在600 rpm转速下成功修复预制裂纹，并系统研究了旋转速度和时效时间对修复区微观组织及力学性能的影响规律。相关成果发表在《Materials》期刊上，为高熔点低塑性铜合金的固态修复提供了重要理论依据和技术支撑。

研究采用多尺度表征技术联用的方法：通过电子背散射衍射(EBSD)分析晶粒取向和几何必须位错(GND)密度；借助透射电镜(TEM)观察析出相演变；结合维氏硬度测试、拉伸实验和球-盘磨损试验评价力学性能。特别值得注意的是，所有试样均取自经过固溶(950℃/3h)和时效(450℃/3h)预处理的Cu-0.39Cr-0.24Zr(wt.%)合金板材，确保研究数据的可比性。

【3.1 宏观形貌与内部组织】
FSP修复后在所有转速下均获得无缺陷的致密修复区，但1000 rpm时因材料过热产生飞边。EBSD分析揭示修复区呈现"碗状"形貌，热机械影响区(TMAZ)宽度为100-200 μm，前进侧(AS)因剪切力作用形成明显的混晶组织。动态观察发现材料流动呈倒锥形模式，通过"挤压-填充-锻造"三阶段完成裂纹修复。

【3.2 FSP后微观组织】
600 rpm修复区获得0.55 μm超细等轴晶，再结晶分数达46.4%，位错密度高达6.66×10¹⁴ m^-2。TEM证实原纳米级共格FCC-Cr相溶解后转变为10 nm的体心立方(BCC)Cr相，遵循K-S取向关系，但界面共格性丧失导致强化效果骤降。值得注意的是，800 rpm以上转速会引发∑3孪晶界分数增加，这是铜低层错能特性的典型表现。

【3.3 时效处理后微观组织】
450℃/1h时效使再沉淀的FCC-Cr相(3.35 nm)与基体保持完全共格，体积分数显著恢复。几何相位分析(GPA)显示Zr团簇引起局部晶格畸变，产生短程应力场。但时效延长至3h会导致析出相粗化至7.26 nm，削弱Orowan强化效果。

【3.4 力学性能】
时效处理后修复区显微硬度恢复至146.1 HV，拉伸强度达456 MPa，延伸率保持在9.7%。磨损试验表明，优化后的修复区磨损率(5.81×10^-4 mm³N^-1m^-1)接近基材水平，磨损机制从严重分层磨损转变为轻微粘着磨损。

这项研究通过FSP实现裂纹修复和晶粒超细化，再借助时效处理重建纳米析出相强化体系，形成"晶界强化-位错强化-析出强化"的多级协同作用。特别值得注意的是，研究者发现600 rpm转速和450℃/1h时效的工艺组合，能在保证材料流动性的同时最大限度保留位错密度，为Cr原子扩散提供通道。该技术相比传统熔焊修复减少90%热影响区，且无需添加填充材料，为航空航天、核电站等高端装备中铜合金部件的在役修复提供了全新解决方案。研究揭示的"变形诱导析出"机制，对其它沉淀强化型合金的固态加工具有重要借鉴意义。