《Journal of Rare Earths》：Overcoming strength-ductility-conductivity trade-off in Cu-W immiscible alloys by yttrium-modulated tungsten nano-dispersion
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本研究采用机械合金化与火花等离子烧结制备铜钨钇合金，通过优化钇含量实现纳米钨颗粒均匀分布在超细铜基体中，获得546 MPa高强度和87.4% IACS导电率，显著提升热稳定性至600℃处理50小时后硬度保持率超100%。该工艺为高性能铜基合金开发提供了新范式。
周亚驹|刘小龙|吴申|范建军|曲建峰|雷翔|李秀清|魏世忠
河南省机械电气工程学院，郑州轻工业大学智能制造机械装备重点实验室，中国郑州，450002
摘要
铜钨（Cu-W）合金在工程应用中的广泛使用受到其固有机械强度和热稳定性限制的制约。本研究提出了一种钨（W）纳米分散强化方法，用于纳米结构的Cu-W-Y不相容合金，旨在获得最佳的性能组合，包括超高强度、良好的延展性、改进的热稳定性和优异的导电性。我们的方法采用了传统的机械合金化（MA）与火花等离子烧结（SPS）技术，使纳米级钨颗粒（平均直径约27纳米）均匀分散在超细晶粒的铜基体中（平均晶粒尺寸约0.62微米）。优化的Cu-5W-0.5Y合金表现出卓越的综合性能：抗拉强度为546 MPa，总伸长率为14.3%，室温下的电导率达到国际退火铜标准（IACS）的87.4%。值得注意的是，这种合金具有出色的热稳定性，在600°C下退火50小时后仍保持超过初始硬度的90%。这项工作建立了一种可扩展的制造范式，通过协同控制纳米级强化分布和基体微观结构来开发高性能的纳米结构不相容合金。
引言
铜钨（Cu-W）伪合金由于其独特的组合特性——铜基体具有高电导率/热导率，而钨相赋予了优异的耐电弧侵蚀性、机械强度和高温稳定性，被认为是先进电接触件和高温部件的理想候选材料。然而，传统Cu-W合金的主要挑战在于不相容的Cu和W相之间的界面结合力较弱，以及W颗粒的烧结性能差，这通常会导致在常规加工过程中机械完整性和密度不足。这些限制可能导致在涉及严重热机械应力和电弧作用的高应力条件下提前失效。
为了提高Cu-W合金的综合性能，研究人员开发了多种基于微观结构工程和先进加工技术的改性策略。通过均匀分散陶瓷颗粒的第二相强化可以显著提高强度和硬度，这是通过晶粒细化和Orowan强化机制实现的。Yang等人[8]将不同比例的TiB2加入Cu-W体系，研究硼化物添加对电导率和电蚀抗性的影响。Lou等人[9]合成了含有不同Y2O3添加量的Cu-W复合材料，以研究其对微观结构演变和性能的影响。然而，作为强化成分的第二相颗粒的加入不可避免地会增加电阻率，从而降低Cu-W合金的整体导电性。添加微合金元素（如Co、Cr等）可以有效降低烧结活化能，促进致密化并细化微观结构。Ning等人[10]系统研究了不同Co含量对Cu-W合金的影响，发现2 at%的Co含量可以显著提高机械性能。Bodrova等人[11]发现，将W的“框架”排列方式改为“无框架”排列可以提高接触件的抗电弧性能，并且Cr在抗电弧相的自分散和W与Cu的钝化过程中起着决定性作用。界面工程方法（如石墨烯增强的WC/Cu结构）同时实现了位错强化、晶界增强和有效的载荷传递[12]。然而，实现空间分布均匀的亚50纳米W分散体仍然是一个关键的材料科学难题。
在这项研究中，我们通过优化的机械合金化和SPS烧结工艺开发了一种新型Cu-W-Y三元合金体系，使用了不同比例的Cu(Y)预合金、纯Cu和W粉末。系统地表征了Y浓度从0到0.75 wt%的四种合金变体，以阐明Y在微观结构演变和性能提升中的多功能作用。图1展示了Cu-W-Y合金的合成过程。微观结构分析与机械测试表明，Y的添加促进了W的共晶相形成，有效细化了晶粒结构，并通过界面优化增强了分散强化效果。这些发现为设计具有同时提高机械强度和热物理性能的铜基复合材料开辟了新途径。
实验部分
实验
初始原料包括气体雾化的Cu-Y粉末（纯度：99.9 wt%，平均粒径：约5 μm）、Cu粉末（纯度：99.99 wt%，平均粒径：约5 μm）和还原钨粉末（纯度：99.5 wt%，平均粒径：约3 μm）。这些粉末经过精确称量，以达到Cu-5W-(0?0.75)Y（按重量百分比计）的目标合金成分，然后进行充分混合。初始粉末通过高能行星球磨机进行机械合金化处理
合金粉末的宏观结构
Cu-5W-xY（x=0、0.25、0.5和0.75，按质量分数计）合金粉末的相结构通过XRD进行分析，结果如图4所示。可以看出，随着Y含量的增加，Cu(111)和W(110)的衍射峰强度增强，半高宽（FWHM）也呈增加趋势。这是因为Y的引入可能促进了合金中晶粒的细化，而稀土元素通常会在晶界处沉淀，阻碍...
稀土Y添加对Cu-W合金微观结构的影响
在Cu-W-0.5Y样品中，可以清楚地观察到多组孪晶和大量的纳米W颗粒（见图13(a)和(b)）。这有几个原因。Y的掺杂可以降低Cu/W界面能，促进半相干/完全相干界面的形成。第一性原理计算表明，这种界面重构降低了孪晶成核能垒，从而增加了孪晶的数量[24]。第一性原理计算定量地...
结论
通过使用不同比例的Cu(Y)预合金、纯Cu和W粉末，采用机械合金化和SPS烧结工艺制备了一种新型Cu-W-Y三元合金体系。系统地表征了Y浓度为0?0.75 wt%的四种合金变体，以阐明Y在微观结构演变和性能提升中的多功能作用。主要结论如下：
(1)最佳Y添加量（≤0.5 wt%）可以细化Cu基体并促进W纳米颗粒的均匀分散，从而提高强度
项目支持
本项目得到了中国博士后科学基金（2025M770230）、河南省自然科学基金（252300421962）、河南省重点科学技术项目（252102231029）以及河南省研究生教育改革与质量提升项目（YJS2025XQC13, YJS2026ZYKC19）的支持。
未引用参考文献
34.; 35.; 36.; 37.; 38.; 39.; 40.; 41.; 42.; 43..
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
