通过多阶段热机械加工诱导强化技术在铜钛合金中实现超高强度

《Materials Science and Engineering: A》：Achieving Ultra-High Strength in Copper-Titanium Alloys through Multistage Thermomechanical Processing Induced Strengthening

多阶段热机械处理调控Cu-3Ti及Cu-3Ti-0.2Fe合金微观结构与性能，实现1.24-1.31 GPa高强度与10.5% IACS导电性协同优化。Fe微合金化抑制β'相粗化，促进高密度位错与变形孪晶形成，通过Fe-Ti协同作用调控晶格参数，实现沉淀强化与位错强化的协同作用。

　　

Bofan Xu | Qingjuan Wang | Kuaishe Wang | Wen Wang | Hang Zhang | Bin Gao | Junpeng Sun | Fei Wang

西安建筑科技大学冶金工程学院，中国陕西省西安市710055

摘要：

本研究系统地研究了环保型Cu-3Ti和Cu-3Ti-0.2Fe合金在多阶段热机械处理过程中的微观结构演变和性能调控机制。经过工艺优化后，Cu-3Ti和Cu-3Ti-0.2Fe合金的抗拉强度分别达到了1.24 GPa和1.31 GPa，而电导率仍保持在约10.5 %IACS。结果表明，这种多阶段热机械处理能够有效诱导高密度位错和纳米级β′-Cu₄Ti析出相的形成，从而产生显著的协同强化效应。微观机制分析表明，微量Fe的添加通过降低基体中的位错能量促进了变形孪晶的形成。此外，由于Fe与Ti之间的相互作用，Cu-3Ti-0.2Fe合金的晶格常数在多阶段热机械处理后仍低于Cu-3Ti合金。强化机制分析显示，在Cu-3Ti合金中，析出强化和位错强化共同主导了强度的提高；而在Cu-3Ti-0.2Fe合金中，析出强化是主要的强化机制。本研究开发的多阶段热机械处理策略有效控制了电导率的损失，同时实现了超高强度，为开发新一代高性能、环保型铜合金提供了可行的工艺路径和理论基础。

引言

高性能铜合金是现代电力、运输和先进设备领域中的关键材料。开发兼具高强度和优异电导率的新型铜合金已成为材料科学中一个重要而紧迫的挑战[1]。在现有的强化方法中，析出强化是实现这种性能平衡的最有效途径[2],[3]。尽管传统的Cu-Be合金具有优异的性能，但其毒性和高昂的成本限制了其广泛应用，促使研究人员探索环保、高性能的铜合金体系[4],[5]。

Cu-Ti体系由于其显著的时效硬化效应和成本效益而展现出巨大潜力[6]。其强化机制主要源于热处理过程中过饱和固溶体中有序β′-Cu₄Ti相的析出，这些析出相有效阻碍了位错的运动，从而显著提高了合金的强度[7]。然而，优化传统Cu-Ti合金的性能面临瓶颈。一方面，单阶段热机械处理难以充分发挥其性能潜力[8]；另一方面，尽管Ti在Cu基体中的固溶度变化为析出强化提供了热力学基础，但早期时效过程中形成的残余溶解Ti原子和溶质团簇会强烈散射导电电子，导致峰值强度条件下的电导率不理想[9]。

为了克服这些限制，研究人员转向了更复杂的热机械加工技术，这些技术巧妙地将塑性变形与热处理结合在一起。KOIKE等人的研究[10]表明，对Cu-2.3Ti合金进行多阶段冷轧和时效处理可以通过严重的塑性变形细化微观结构，从而实现超高强度。YANG等人[11]进一步开发了预时效+冷轧+最终时效的复合工艺。该策略利用预时效过程中形成的纳米析出物作为钉扎点，促进后续冷轧过程中位错的均匀分布，最终在最终时效阶段形成多尺度析出物和位错的耦合结构，使Cu-3.3Ti合金的抗拉强度达到1076 MPa。WANG等人[12]通过时效+冷轧+再时效的热机械处理路线成功制备了抗拉强度为1043 MPa的Cu-3Ti合金，进一步证实了协同控制析出行为和变形结构在提高机械性能中的关键作用。Lei等人[13]研究了热轧温度与室温轧制或低温轧制相结合对Cu-3Ti合金微观结构和性能的影响。研究结果表明，低温轧制通过促进孪晶形成和均匀化析出物分布，同时提高了强度、硬度和延展率。

同时，微合金化也被视为调控Cu-Ti合金析出行为和微观结构的另一关键手段。Rouxel等人[14]发现，在Cu-6Ti合金中添加0.3 wt.% Fe可以有效抑制溶液淬火后Ti原子的旋涡分解，使合金在时效后仍保持975 MPa的高屈服强度。Wang等人[15]系统研究了Fe对Cu-2.7Ti合金时效过程中微观结构和性能的影响。他们的研究发现，适量的Fe通过形成TiFe相降低了基体中的Ti含量。结合多阶段热机械处理，这种处理方式同时通过晶粒细化和纳米析出实现了协同强化。Fe的添加还通过增加相变激活能和抑制β′-Cu₄Ti析出物的生长，优化了合金的整体性能。另一项Wang等人的研究[16]表明，向Cu-Ti合金中添加Fe可以抑制与Fe掺杂析出物相关的不连续析出，从而改善机械性能。Zhu等人[17]发现，在Cu-3Ti合金中，Fe的偏聚增加了Ti原子的扩散障碍，加速了其析出。这种Fe-Ti协同效应细化了β'-Cu₄Ti析出物的密度和尺寸，有效克服了强度与电导率的trade-off。Liu等人[18]通过短时退火工艺在Cu-Ti-Fe-V合金中形成了多尺度异质结构，所得材料具有高强度（976.8 MPa）和良好的延展性（18.8%）。在时效前进行最后的5%冷轧步骤后，强度进一步提升至1057 MPa，同时保持10%以上的延展性，为开发高性能异质结构铜合金提供了可行的新途径。

然而，关于多阶段热机械处理对Cu-3Ti合金及其后续Cu-3Ti-0.2Fe合金微观结构和性能的影响研究较少。因此，在我们团队先前研究的基础上[19]，本研究系统地研究了经过多阶段热机械处理的Cu-3Ti和Cu-3Ti-0.2Fe合金的机械和电学性能，详细描述了每个阶段的微观结构演变。目的是制备具有良好电学性能的高强度Cu-Ti合金。这项工作有望为开发下一代高性能、环保型铜合金提供新的理论见解和加工策略。

材料与加工

本实验使用的原材料为纯铜（99.95 wt.%）、纯铁（99.9 wt.%）和Cu50Ti50母合金。Cu-3Ti和Cu-3Ti-0.2Fe合金锭采用真空感应熔炼法制备。铸态合金的化学成分通过SPECTROMXX型号的点火式直读光谱仪进行了验证，测量结果见表1。

在880°C下进行90分钟的均匀化退火后，锭材进行了单次自由锻造。

冷轧和时效态的微观结构与性能

图3展示了Cu-3Ti和Cu-3Ti-0.2Fe合金在冷轧和时效后的微观结构及晶粒尺寸统计结果。图3(a₁)显示了冷轧和时效后Cu-3Ti合金的微观形态。晶粒沿轧制方向伸长，并伴有变形带，这是由于轧制过程中晶粒内部滑移系统的激活以及连续的调整所致。

多阶段热机械处理后合金晶格参数的演变

图11展示了Cu-3Ti和Cu-3Ti-0.2Fe合金在多阶段热机械处理后的X射线衍射（XRD）图谱，不同时效时间下的数据分别记录在图中。随着时效时间的延长，两种合金的Cu衍射峰位置逐渐向更高的2θ角度移动[31]。这一现象在(200)面衍射峰上尤为明显（见图11(a)），表明最初溶解在Cu基体中的Ti原子逐渐析出。

结论

• (1)
  经过处理的合金在保持良好电导率的同时实现了超高强度。抗拉强度逐步提高：第一阶段后分别为1.04 GPa（Cu-3Ti）和1.08 GPa（Cu-3Ti-0.2Fe）；第二阶段后分别为1.08 GPa和1.13 GPa。最终，Cu-3Ti合金的抗拉强度达到1.24 GPa，硬度为405.8 HV₀，电导率为10.52 %IACS；Cu-3Ti-0.2Fe合金的抗拉强度为1.31 GPa，硬度为411.7 HV₀，电导率为10.43 %IACS。
• (2)
  Cu-3Ti和Cu-3Ti-0.2Fe合金的微观结构...

CRediT作者贡献声明

Bin Gao： 资源提供。 Junpeng Sun： 资源提供。 Fei Wang： 项目管理。 Bofan Xu： 原稿撰写、实验研究、数据分析。 Qingjuan Wang： 文稿撰写与编辑、方法论设计、资金申请、概念构思。 Kuaishe Wang： 数据验证、数据分析。 Wen Wang： 数据验证、数据分析。 Hang Zhang： 资金申请。

数据可用性

目前无法共享重现这些结果所需的原始数据，因为这些数据仍属于正在进行的研究的一部分。同样，也无法共享重现这些结果所需的处理后数据，因为这些数据也属于正在进行的研究。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号2023YFB3710001）和陕西省国际合作重点研发计划（项目编号2025GH-YBXM-040）的支持。