铜铝钪微合金化协同调控机制：提升纯铜高温抗软化性能与导电性的创新研究

为解决纯铜高温强度不足和热稳定性差的问题，研究人员开展Al/Sc原子比为3的Cu-Al-Sc微合金化研究。结果表明，高含量合金（Cu-0.021Al-0.012Sc）冷轧态导电率达94.4% IACS，抗拉强度403 MPa，软化温度提升至515°C。Sc元素晶界偏析与Sc2O3析出相协同抑制再结晶，为高导高强铜合金设计提供新策略。

　　

纯铜因其卓越的导电性（>58 MS/m）和导热性，在超高压输电、航空航天和新能源汽车等领域具有不可替代的地位。然而，其固有弱点——室温强度过低（退火态抗拉强度<200 MPa）和高温稳定性不足（再结晶温度约200°C）——严重限制了其在高温环境和高精尖领域的应用。传统强化手段如添加高含量合金元素（如Cu-Zr合金）虽能提升强度，但往往以牺牲导电性为代价（电导率降至30-40 MS/m），且强度极限通常难以突破600 MPa。

近年来，微合金化技术（添加量<1 wt%）通过引入纳米级析出相和晶界钉扎效应，成为平衡铜基材料导电性、力学性能和热稳定性的有效策略。其中，铝（Al）和钪（Sc）的协同添加因其独特的强化机制备受关注：Sc在铝合金中能形成纳米级Al₃Sc相（尺寸<10 nm），显著抑制再结晶并提高热稳定性；而Al本身具有高导电性，且能与Sc形成稳定化合物。理论计算表明，当Al/Sc原子比为3时，Al₃Sc析出相与基体的共格应变最小，可减少电子散射，维持高导电性。然而，现有研究多集中于铝合金体系，对Al/Sc微合金化在纯铜中的作用机制缺乏系统探索。

为此，河南科技大学材料科学与工程学院董金灿等研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》发表了题为"Crystalline Phase Evolution and Solid-State Reaction Mechanisms in High-Titanium Pellets During Oxidation Roasting"的研究论文（注：原标题与内容不符，实际研究内容为Cu-Al-Sc合金）。该研究通过固定Al/Sc原子比为3，系统研究了不同含量（低、中、高）Al和Sc对纯铜微观结构与性能的影响，揭示了其通过双机制抑制再结晶、显著提升抗软化性能的机理。

研究人员采用真空感应熔炼制备了6N高纯铜（99.9999%）及三种不同Al/Sc含量的合金（AS-L、AS-M、AS-H），通过均匀化退火（950°C/2h）、热挤压、多道次热轧（900°C）、冷轧及中间退火（450°C/1h）制成1mm厚箔材。利用OM、EBSD、TEM等表征手段分析微观结构，采用涡流电导仪、显微硬度计和万能试验机测试电学与力学性能，并通过高温退火实验（100-600°C）评估抗软化性能。关键实验技术包括：真空感应熔炼（原料为6N电解铜）、EBSD几何位错密度计算、STEM-EDS面扫描与线扫描、SAED相结构鉴定以及基于电导率变化的析出动力学分析（Avrami方程）。

3.1 导电性与力学性能

电导率测试表明：随Al/Sc含量增加，冷轧态电导率阶梯式下降（6N Cu:100.9% IACS → AS-H:94.4% IACS），主要归因于溶质原子引起的晶格畸变增加电子散射。850°C/30min退火后，电导率显著恢复（AS-H:97.6% IACS），源于再结晶过程中位错湮灭及元素存在形式从固溶态向析出态转变。力学性能方面，冷轧态显微硬度和抗拉强度随含量增加而提升（AS-H硬度139.8 HV，强度403 MPa，较6N Cu提升60%），归因于冷轧变形产生的高密度位错缠结网络和亚晶界阻碍位错滑移。

3.2 抗软化性能

硬度-温度曲线显示典型三阶段特征：初始平台期、临界陡降期和热稳定期。随Al/Sc含量增加，软化温度显著升高（6N Cu:165°C → AS-H:515°C）。Sc元素晶界偏析降低晶界能，抑制再结晶形核与长大；同时Sc₂O₃析出相钉扎晶界和位错，共同延缓高温软化过程。

3.3 微观结构特征

EBSD分析表明：冷轧态几何位错密度随含量增加（AS-H达5.78×10¹⁴/m^?2），源于溶质原子尺寸差引起的弹性应力场。350°C退火后，再结晶体积分数随含量增加而降低（6N Cu:59.4% → AS-H:0.687%），证实Al/Sc添加有效抑制动态再结晶。晶界分布显示：高含量合金（AS-M、AS-H）以小角晶界为主（占比88.2%-94%），迁移阻力大，抑制高温软化。织构分析表明：随含量增加，Cube织构体积分数下降（10.6%→2.94%），Brass/S变形织构占比上升（18.32%→80.90%），抑制再结晶织构形成。850°C退火后，晶粒尺寸显著细化（AS-H平均晶粒77.88 μm，较6N Cu减小67%）。

4.1 Al/Sc元素存在形式

TEM表征揭示温度依赖的析出相演化：室温冷轧态下，Al/Sc以固溶原子形式存在；350°C退火后，晶内析出椭球状Sc₂O₃（尺寸<10 nm），晶界处出现Sc元素偏析；850°C退火后，晶内析出相转变为Al₂O₃（平均粒径4 nm），晶界处形成AlScO₃复合氧化物（粒径约20 nm）。该转变受Sc元素扩散与偏析驱动：Sc优先与氧结合形成热力学更稳定的Sc₂O₃（ΔG_f = -1694 kJ/mol, 623K），高温下Sc向晶界迁移促发AlScO₃形成。

4.2 析出动力学分析

基于电导率变化的Avrami方程拟合得出：700-850°C时效过程中，析出相体积分数随时间变化符合相变动力学规律（n值0.51-1.36，b值0.00001-0.01932）。计算激活能为428 kJ/mol，与氧空位迁移能垒（410-450 kJ/mol）一致，表明Sc₂O₃→Al₂O₃相变受氧离子扩散控制。

4.3 Al/Sc含量对抗软化性能影响

双机制抑制再结晶：一是溶质原子钉扎效应（Al/Sc固溶引起晶格畸变，阻碍位错滑移）；二是晶界偏析效应（Sc降低晶界能，抑制迁移）。高含量合金中Sc₂O₃析出相进一步钉扎晶界/位错，延缓变形织构（Brass/S）向再结晶织构（Cube/Goss）转变，使软化温度显著提高。

本研究通过多尺度表征与动力学分析，证实Cu-0.021Al-0.012Sc合金（AS-H）具有最佳综合性能：冷轧态电导率94.4% IACS、抗拉强度403 MPa、硬度139.8 HV；850°C退火后电导率恢复至97.6% IACS，软化温度达515°C（较纯铜提升350°C）。其优异性能源于Al/Sc微合金化的协同效应：固溶原子引起晶格畸变强化、Sc晶界偏析抑制迁移、纳米氧化物（Sc₂O₃/Al₂O₃）钉扎晶界与位错。该研究为开发高导电、高强度、高热稳定性的铜合金提供了理论依据和工艺指导，尤其在高温电工材料领域具有重要应用前景。