通过定制的热机械加工方法提高Cu-Ti-Si合金的机械性能和导电性

《Composites Communications》：Enhancing mechanical properties and electrical conductivity of Cu-Ti-Si alloys through tailored thermomechanical processing

本研究通过真空熔炼结合冷轧与时效处理制备Cu-Ti-Si合金，调控Ti5Si3纳米析出相与位错密度协同强化，实现抗拉强度500MPa和电导率66.8% IACS的突破性性能组合。

　　

陈国胜|尹彩柳|张新江|彭成成|刘正伟|陈焕|易春强|朱文博

广西民族大学材料与环境学院先进结构材料与碳中和重点实验室，中国南宁，530105

摘要

设计了一种新型Cu–Ti–Si合金，通过热处理诱导的微/纳米沉淀和固溶强化来实现多种强化机制和高电导率。添加硅显著提高了Cu–Ti体系的显微硬度，促进了Ti₅Si₃的沉淀。该合金经过70%的冷轧处理后，在450°C下时效120分钟。优化后的材料具有500 MPa的抗拉强度和66.8% IACS的电导率。通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）对时效后的微观结构和织构演变进行了表征，发现Ti₅Si₃沉淀的密度很高，其微米和纳米尺度与观察到的机械性能和电导率的提高相吻合。在各种强化机制中，Ti₅Si₃沉淀起到了主导作用，与固溶强化和晶界效应协同作用，实现了出色的强度和电性能组合。

引言

随着先进电子和汽车行业对高性能铜合金需求的增加，最近的研究引入了新的策略来克服基于Cu-Ti体系的强度-电导率权衡问题。数据驱动的方法和机器学习算法已成功应用于合金成分的优化和性能极限的预测[[1], [2], [3]]。同时，热机械加工技术的进步，如定制的轧制工艺[4]和时效动力学的精确建模[5]，在细化微观结构演变方面显示出巨大潜力。然而，在下一代应用中，传统铜合金的性能限制变得尤为明显。通过相沉淀强化的铜合金（如Cu-Be和Cu-Ni-Si体系）虽然实现了机械强化，但这种机制不可避免地引入了晶格畸变，导致电导率降低了15–30% IACS。最近的计算热力学研究表明，这种性能下降与纳米沉淀分散导致的电子平均自由路径缩短密切相关。由此产生的强烈焦耳加热和信号衰减对相关领域的进一步发展构成了关键挑战[6,7]。最近，时效硬化的Cu-Ti合金因其高机械强度和适中的电导率而受到广泛关注[8,9]。Cu-Ti合金的强化主要依赖于旋节分解，这会引起振幅调制波动，形成连贯的β′-Cu₄Ti沉淀[10]。然而，这通常伴随着晶界处的不连续沉淀，需要精确控制以优化性能[11]。

在合金熔炼和随后的热处理过程中，硅优先与钛反应形成Ti₅Si₃，这是一种以其优异的硬度和化学稳定性而闻名的金属间化合物。尽管具有这些有利性质，但迄今为止很少有研究探索Ti₅Si₃在铜合金中的应用[12]。

目前依赖于单一强化机制（如沉淀硬化或晶界强化）的策略在同时提升多种性能方面效果有限[13,14]。例如，虽然高密度纳米沉淀显著提高了强度，但由于电子散射的增加，它们通常会使电导率降低20–30%[15]。类似地，严重的塑性变形（SPD）技术（包括等通道角压）可以将晶粒结构细化到亚微米级别；然而，它们也会引入过多的位错密度，从而大幅降低电导性能[16]。最近的计算研究表明，通过设计包含纳米沉淀、位错胞网络和梯度晶界的多尺度缺陷结构，可以同时激活多种强化机制，同时保持高电子传输效率[17,18]。然而，通过工业可行的工艺实现这些复杂的微观结构设计仍然是一个重大挑战[19]。

本研究通过真空电弧熔炼后进行冷轧，制备了含有大约3原子%和5原子% Ti₅Si₃沉淀的Cu–Ti–Si合金样品。作为对Cu–Ti–Si体系系统研究的组成部分，我们首先确定了Ti₅Si₃是否能够按预期形成，并评估了其对微观结构的基本影响。为了避免沿晶界形成连续的脆性Ti₅Si₃薄膜，选择了相对较低（约3原子%）和中等（约5原子%）的Ti₅Si₃含量。使用SEM、TEM和X射线衍射（XRD）进行的全面表征显示，高密度的位错和纳米级Ti₅Si₃沉淀通过Orowan机制起到强化作用，而低残留的Ti溶质浓度有助于保持高电导率。优化的Cu–Ti–Si合金具有500 MPa的抗拉强度和66.8% IACS的电导率。TEM观察证实，微/纳米级的Ti₅Si₃沉淀对于增强合金至关重要，为其作为高性能导电材料的潜在应用奠定了坚实的基础。

化学成分和热处理工艺

图1展示了Cu–Ti–Si合金的制备过程示意图。使用了两种合金成分。为了计算方便，将名义上的Ti和Si含量（3原子%和5原子% Ti₅Si₃）转换为质量分数：Cu–1.5Ti–0.4Si（重量%，样品A）和Cu–1.92Ti–0.67Si（重量%，样品B）。这些合金由高纯度原料（Cu 99.9%，Ti 99.9%，Si 99.9%）通过真空感应熔炼合成。为了直接比较，还准备了纯铜样品

XRD分析

图2显示了样品A（Cu–1.5Ti–0.4Si）和样品B（Cu–1.92Ti–0.67Si）的XRD图谱。两种样品中都检测到了Ti₅Si₃相（样品A的图2a和样品B的图2c）。Ti₅Si₃的出现表明，在时效过程中从过饱和的Cu基体中沉淀出了富含Ti和Si的颗粒；铜晶格中的溶质原子也会引起晶格畸变并改变晶面间距，从而导致衍射特征的变化[20]。

结论

本研究阐明了Cu-Ti-Si合金微观结构演变和性能优化的机制，这是通过冷轧和受控时效的协同效应实现的。该过程包括在900°C下进行6小时的固溶退火，然后进行70%的冷轧和在450°C下时效2小时，从而形成高密度的位错和纳米级Ti₅Si₃沉淀。固溶退火产生了过饱和的固溶体，而冷轧引入了位错

作者贡献声明

陈国胜：撰写——原始草稿，软件使用，实验研究，正式分析。尹彩柳：撰写——审稿与编辑，验证。张新江：撰写——审稿与编辑，监督。彭成成：撰写——审稿与编辑，实验研究。刘正伟：撰写——审稿与编辑，验证。陈焕：验证，实验研究。易春强：撰写——审稿与编辑，方法学研究。朱文博：撰写——审稿与编辑，实验研究。

利益冲突声明

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致谢

作者感谢广西自然科学基金（2025GXNSFAA069761）、广西科技重大计划（项目编号AA23062026、AA23062036）以及广西研究生教育创新项目（YCSW2025296）的财政支持。