新型高強高導電銅鋯鋁合金快速凝固連續(xù)鑄造技術(shù)研究結(jié)題摘要

高強度高導電銅合金，是微電子、通訊、交通和航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域重要的新型功能材料。本項目研究了微合金化的CuZrAl合金組織與性能的關(guān)系。探索了熱處理工藝對合金導電率和力學性能的影響。同時，設(shè)計出快速凝固連續(xù)鑄造結(jié)晶器，研究了合金的快速凝固連鑄技術(shù)，并對連鑄合金棒材進行了組織與性能評價。 銅模噴鑄2 mm直徑Cu90Zr10-xAlx合金棒由α-Cu和Cu5Zr相組成，Al固溶于α-Cu中。其中Cu90Zr9Al1由α-Cu Cu5Zr的共晶組織基體和其上彌散分布的細小纖維狀Cu5Zr增強相組成，Cu90Zr7Al3和Cu90Zr5Al5由先析出的枝晶狀α-Cu和枝晶間的α-Cu Cu5Zr共晶組織構(gòu)成，Cu90Zr3Al7和Cu90Zr1Al9由α-Cu晶粒和晶界處的少量α-Cu Cu5Zr共晶組織所構(gòu)成。Cu90Zr9Al1、Cu90Zr7Al3和Cu90Zr5Al5合金棒的壓縮屈服強度分別達到1513、1066和812MPa，維氏硬度分別為420、326和250。 銅模鑄造20mm直徑的Cu99Zr0.5Al0.5合金由細小的等軸晶粒組成，晶界處存在少量α-Cu Cu5Zr共晶組織，冷軋后等軸晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)闂l帶狀變形組織，晶界處共晶組織破碎，呈不連續(xù)條狀分布。經(jīng)過70%冷軋450℃/1h時效的Cu99Zr0.5Al0.5合金，具有較好的綜合性能，抗拉強度為460MPa，伸長率為16%，導電率為60% IACS。對添加0.01?的合金進行950℃/1h固溶處理，固溶處理后經(jīng)70%冷軋450℃/2h時效處理，抗拉強度達到469.2 MPa、導電率達83.3% IACS。 自主設(shè)計出真空雙室差壓快速凝固水平連鑄系統(tǒng)，成功連鑄出純銅和CuZrAl合金及CuZrAlCe合金棒材，合金棒具有良好的表面質(zhì)量。其中，Cu90Zr9Al1合金棒由交替分布的α-Cu和Cu5Zr相組成，壓縮斷裂強度為996MPa，抗拉強度為865MPa，導電率為12.3%IACS。對于添加0.01at?的Cu-Zr合金，在1250℃的連鑄溫度下、使用2mm/s的拉坯速度、拉5s停2s的連鑄工藝、2L/min的冷卻水流量和0.05MPa壓差，成功制備出表面質(zhì)量良好的合金棒。

高強度高導電性銅合金，是微電子、通訊、交通和航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域重要的新型功能材料。本申請前期預研中發(fā)現(xiàn)：Al元素的添加可以使Cu-Zr合金在快速凝固后，直接獲得細密纖維狀的雙相增強結(jié)構(gòu)，有效地提高了基體合金的強度。鑒于快速凝固技術(shù)在提高銅合金強度和導電率方面的優(yōu)勢，以及稀土元素(Ce和Y)對銅合金熔體凈化和細晶強化的顯著作用，本項目將以Cu-Zr-Al系合金為研究對象，通過稀土元素微合金化和快速凝固技術(shù)，揭示合金組織的演變規(guī)律及增強相的穩(wěn)定機制，明確組織結(jié)構(gòu)與綜合性能的關(guān)系；通過對Cu-Zr-Al系合金凝固溫度場的計算分析，獲得形成纖維增強結(jié)構(gòu)的冷卻條件，優(yōu)化石墨水冷銅模鑄型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立起適用于高強高導電Cu-Zr-Al合金的快速凝固連鑄系統(tǒng)，獲得新型高效穩(wěn)定的制備工藝，使快速凝固高強高導電銅合金不再限于薄帶或單一塊錠產(chǎn)品，為今后我國高強高導電材料的開發(fā)和應用提供新思路和新方法。

快速凝固粉末鋁合金是快速凝固取得的最重要成果之一。美國材料咨詢局( NMAB)對先進的快速凝固鋁合金的研究做了全面的評估，得出的結(jié)論是：(1)快速凝固粉末鋁合金的性能比傳統(tǒng)鑄錠冶金優(yōu)越得多；(2) 快速凝固粉末冶金鋁合金主要用于航空工業(yè)；(3)現(xiàn)行的有關(guān)相關(guān)系、顯微組織及結(jié)構(gòu)性能方面的知識不適用于快速凝固鋁合金。咨詢局的評估是對快速凝固鋁合金的研究、開發(fā)、試驗與生產(chǎn)的有力支持，該報告特別指出應進行長期、廣泛的基礎(chǔ)研究并制定發(fā)展規(guī)劃。

快速凝固鋁合金主要是在粉末高比強合金、粉末耐熱鋁合金、粉末高強鋁合金、粉末耐磨鋁合金方面取得了很多成果，特別是粉末耐熱鋁合金的成就令人矚目。

高強度耐蝕鋁合金是指利用快速凝固技術(shù)制備的新型鋁合金。

鋁-銅系鑄造鋁合金Al-C'.u cast aluminium alloy以銅為 主要合金元素的鑄造鋁合金。銅的含量范圍在4%一抖%。 含銅9%以上的Al-Cu系合金。具有較好的鑄造性能，可用于 金屬型鑄造，并具有良好的拋光性能及電鍍性能。但熱處理 強化效果不大，力學性能較低，主要用于裝飾性零件。該系合 金中其有重要應用價值的是由Al-5Cu合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來 的高強度鑄造鋁合金和熱強鑄造鋁合金。主要有A1- Al}:u-Mn, At-Cu-Mg, AI-Cu-u1i. A1-Cu-RE等系列。 C;u-Si , A1一〔抽 系合金具有良好的切削加工性能和焊接性能。鑄造性能較 井.熱裂疏松4}向較大，需要合理的鑄造工藝設(shè)計。