【原】大连交大《MD》：新工艺！提高铸态Cu-Ni-Si合金综合性能

编辑推荐：生产薄带状的高强度和高导电性的Cu-Ni-Si合金在行业中是一个具有挑战性的问题。本研究采用不经均匀化处理的连续挤压-轧制-时效相结合的短工艺，提高了铸态Cu-Ni-Si合金的综合性能。结果表明，优化后的合金力学性能和电学性能均得到显著提高。最终材料获得晶粒尺寸细小、析出相量大、位错较多的微观组织，具有较高的抗拉强度、高的导电性和良好塑性。定量分析了强化机理，分别为位错强化、晶界强化和析出强化；两种尺寸的析出物，均为δ1-Ni2Si，小体积分数细Ni2Si，对屈服强度的贡献很大。因此，通过控制析出相尺寸来进一步提高Cu-Ni-Si合金的强度具有很大的潜力。

Cu-Ni-Si合金由于其高强度和良好的电导率和导热性，是自动化、通信、电气和电子工业中引线框架的重要材料。随着电路向大规模集成化方向发展，引线框架的引脚和间距越来越细，这对Cu-Ni-Si合金的性能提出了更高的要求。Cu-Ni-Si合金作为一种典型的析出强化合金，在合金中加入微合金化元素是实现这一目标的有效途径。虽然高强度和高导电性已经在实验室中实现，但从铸造到薄带状的Cu-Ni-Si合金的制造仍然是一个挑战。首先，大多数的研究集中在强度的提高，而忽略了影响形成薄带状的塑性；其次，机械性能和加工的权衡限制了高强度的合金；第三，Cu-Ni-Si合金通常表现出较高的加工硬化速率，这意味着每个道次有限塑性变形有时不足以再结晶。

日前，来自大理交通大学的研究团队报道了连续挤压结合轧制和时效工艺制备的Cu-Ni-Si合金的性能，讨论了强化机理，为提高Cu-Ni-Si合金的综合性能提供了一种新策略，相关论文以题“Enhancing the comprehensive properties of as-cast Cu–Ni–Si alloys by continuous extrusion combined with subsequent thermomechanical treatment”发表在Materials Design。

论文链接：

https:///10.1016/j.matdes.2022.111033

1-5号加工路线如图1所示，着重介绍了路线2，4和5制备的试样。三种情况在短时间内显微硬度和电导率急剧增加，并且强度和电导率较挤压状态的都有所提升。时效后塑性恶化，但5号样的较其他要好，是增强Cu-Ni-Si合金综合性能的最佳途径。

图1 本研究采用的加工路线示意图

图2 Cu-Ni-Si合金的力学和电学性能

图3 (a)-(c) 2号、 (d)-(f) 4号和(g)-(i) 5号试样TEM和SAED图

微观表征显示，挤压后边缘位置晶粒严重变形为纤维状微观结构，中心部分大多为严重变形细晶粒。析出（Ni₂Si）随着时效过程而发生，连续挤压和轧制工艺中严重的塑性变形使析出相增加。4和5结晶取向发生了变化，从挤压态的<001>//挤压方向转变为再结晶态的<101>//挤压方向。TEM可以观察到2、4和5试样的微晶、位错和大量析出相。SAED显示，所有析出相均为δ₁-Ni₂Si (Pbnm结构，a = 0.706 nm, b = 0.499 nm, c = 0.372 nm)，并且位于三叉晶界处的Ni₂Si对晶界运动的阻碍作用。

图4 样品2-5峰时效的Williamson-Hall图

由XRD图谱中的Williamson-Hall图计算了位错密度，材料的电导率与晶格缺陷，包括位错、晶界以及析出相和由溶质原子组成的杂质有关。整体电导率由溶质原子主导，在时效过程中，Ni₂Si颗粒析出，消耗溶质原子，电导率增加。

图5 实验和计算的屈服强度的比较

计算屈服强度与实验屈服应力吻合良好，强化机制主要包括位错、晶粒和析出强化，在4和5号样中，析出强化为主导地位，析出相的体积分数增加，屈服强度增强。而5号中重结晶的细粒尺寸有助于实现高塑性。

图6 本研究的Cu-Ni-Si合金与文献和商业上的合金比较

轧制前的时效工艺可以加剧挤压Cu-Ni-Si合金的塑性变形，从而为重结晶和析出提供能量，合金的抗拉强度、塑性和导电率都得到提升。将优化处理后的强度和导电性与文献和商用Cu-Ni-Si合金进行比较，可以看出在这项工作中获得了相对较高的强度和高导电性的合金。

在本研究中，5号样中较大先析出相体积分数占总析出相的93%，而仅占总屈服强度的21.2%。虽然新析出细Ni₂Si仅占总体积分数的7%，其对总屈服强度的贡献达30%。因此，对于这种组合技术，在控制析出相尺寸以进一步提高Cu-Ni-Si合金的强度方面具有巨大的潜力。（文：晓太阳）