硅对Cu-Be-Ni-Co合金在多阶段热机械处理过程中的微观结构和性能的影响

Cu-Be-Ni-Co-Si合金通过硅微合金化和多阶段热力学处理实现高强度（1441 MPa）与高导电性（24.3% IACS）协同，比商用C17200合金综合性能更优且成本降低13%。

　　

陈伟|姜诺依|姜晓宇|周涛|何静|吴天宇彦|王萌|姜彦斌|朱大波|周莉

中南大学材料科学与工程学院，中国长沙410083

摘要

用低成本元素部分替代铍，并结合多阶段热机械处理，为开发高性能、低成本的铍铜合金提供了一条有前景的途径。在本研究中，探讨了Si元素在多阶段热机械处理过程中对Cu-Be-Ni-Co合金微观结构和性能的影响，并阐明了其作用机制。Si的添加促进了晶粒细化，并将强化相从单一的γ′-(Ni,Co)Be相转变为纳米级的(Ni,Co,Si)Be和δ-(Ni,Co)₂Si相。这种双相协同强化有效抑制了老化过程中的沉淀物粗化。第一性原理计算表明，Si原子优先占据(Ni,Co)Be相中的Be位点，形成强Si-Ni/Co键，从而降低了沉淀物/基体的界面能。通过优化的多阶段热机械处理，开发出一种新型Cu-1.5Be-0.1Ni-0.3Co-0.2Si合金，其具有1441 MPa的超高强度和24.3%IACS的高电导率。该合金在整体性能上优于传统的C17200合金，同时由于减少了战略金属铍的消耗，原材料成本降低了约13%。本研究为开发高性能、低铍铜合金提供了宝贵的理论和工艺见解。

引言

由于其出色的综合性能，如高强度、高电导率、高弹性极限以及优异的疲劳和耐磨性[1]、[2]、[3]、[4]，铍铜(Cu-Be)合金已成为制造关键弹性部件、连接器和精密仪器不可或缺的功能材料。然而，铍的高成本以及相关的环境和健康风险严重限制了高铍铜合金的广泛应用[5]、[6]、[7]。同时，强度与铍含量之间的强相关性导致低铍铜合金的强度和耐磨性显著下降，使其不适合用于高端电子设备。因此，开发具有良好综合性能和低成本的中等铍含量的Cu-Be合金具有重要的科学意义和实际价值。

目前，用其他更便宜的元素替代部分铍是开发低成本、高性能Cu-Be合金的主要方法。姜等人研究了Ni含量对Cu-0.4Be合金的影响，发现Ni含量在1.5%至2.1%之间时，合金的综合性能达到最佳[8]。张等人报道了Cu-Be-Ni-Co合金中的非传统双峰时效强化现象，其中Cu-0.2Be-1.0Ni-0.2Co合金在420小时时效后表现出最佳性能(261 HV硬度和61% IACS电导率)[1]。与Be和Co等合金元素相比，Si的成本显著较低。在Cu-Ni-Si合金体系中，Si可以与Ni形成纳米级的Ni₂Si沉淀物，从而在不显著降低电导率的情况下显著提高机械性能[9]、[10]。然而，关于Si对Cu-Be合金在时效过程中微观结构和性能演变的影响的系统研究仍较为缺乏。因此，Si在这些合金中的改性机制尚未完全理解。

热机械处理是提高铜合金综合性能的重要方法[11]、[12]、[13]。它通过引入高密度位错、细化晶粒结构以及促进细小强化相的形成，有效增强了强度和电导率。然而，长时间变形后的时效虽然通过增加沉淀物体积分数提高了电导率，但往往会导致过度粗化。这种粗化会减弱位错的钉扎效应并降低强化效果。相比之下，多阶段变形与短时时效（多阶段热机械处理）的结合可以有效抑制沉淀物粗化，增强沉淀物硬化，从而同时提高强度和电导率[14]、[15]、[16]。王等人通过多阶段热机械处理成功制备了具有1144 MPa超高强度和24.1% IACS优异电导率的Cu-2.57Ti-0.35Cr-0.11Mg-0.04Si合金[17]。研究表明[14]、[15]，多次冷轧引入的高密度位错和空位等缺陷为沉淀物提供了足够的变形能量存储和成核位点，从而促进了纳米级沉淀物的均匀分散分布。因此，将低成本Si元素加入Cu-Be合金并结合多阶段热机械处理，通过多种沉淀物的协同强化，为实现更有利的强度-电导率协同效应提供了有前景的策略。这一策略有望解决关键的经济和环境问题，同时促进高性能铍铜合金的发展，显示出显著的实际价值。

我们之前的工作采用机器学习方法设计了一种Cu-1.5Be-0.1Ni-0.3Co合金，该合金在性能和成本之间取得了优异的平衡[18]。在此基础上，本研究通过硅微合金化和多阶段热机械处理成功制备了Cu-Be-Ni-Co-Si合金，实现了优异的极限抗拉强度(>1400 MPa)和电导率(>24%IACS)的结合。随后，系统研究了合金在多阶段热机械处理过程中的微观结构演变，并揭示了Si对Cu-Be合金性能提升的机制。本研究为开发低成本、高性能Cu-Be合金提供了理论指导。

材料与方法

Cu-1.5Be-0.1Ni-0.3Co(称为Cu-Be-Ni-Co)和Cu-1.5Be-0.1Ni-0.3Co-0.2Si(称为Cu-Be-Ni-Co-Si)合金是使用真空中频感应熔炼炉制备的。它们的化学成分列于表1中。

铸坯首先在850 °C下均质化5小时，然后热轧至厚度减少80%。热轧板随后在850°C下进行固溶处理，再进行水淬。接着进行多阶段热机械处理

合金性能

图2显示了两种合金在多阶段热机械处理过程中电导率和硬度的变化情况。在两种合金中，硬度最初增加，随后随着时效时间的延长而降低，而较高的时效温度使得硬度峰值出现得更早。以325 °C下的Cu-Be-Ni-Co合金的FTMT过程为例(图2a)，硬度从冷轧状态的265 HV在时效3小时后迅速增加到370 HV

Si对Cu-Be-Ni-Co合金中沉淀物类型的影响

根据上述实验结果，Si元素对(Ni, Co)Be相有明显的改性作用。这种改性可以归因于Si原子溶解到沉淀物相的晶格中。考虑到Si、Ni、Co和Be的原子半径相对相似，硅可能通过替代固溶进入(Ni, Co)Be相的晶格，占据Be或Ni/Co原子的位点。

为了明确Si原子占据特定位点的倾向

结论

• (1)
  通过在Cu-1.5Be-0.1Ni-0.3Co基础上添加0.2 wt.%的Si并进行多阶段热机械处理，开发出一种新型Cu-Be-Ni-Co-Si合金。该合金具有1441 MPa的超高抗拉强度和24.3% IACS的高电导率，整体性能超过了商用C17200合金，同时由于减少了战略金属铍的用量，原材料成本降低了13%。
• (2)
  Si的添加改变了现有的γ′-(Ni,Co)Be沉淀物

CRediT作者贡献声明

周涛：验证、形式分析。何静：验证、形式分析。吴天宇彦：形式分析、数据管理。王萌：形式分析、数据管理。陈伟：撰写-审稿与编辑、撰写-初稿、研究、形式分析、概念化。姜诺依：撰写-审稿与编辑、撰写-初稿、形式分析。姜晓宇：撰写-初稿、验证、形式分析。姜彦斌：撰写-审稿与编辑、监督、项目

利益冲突声明

作者声明他们与可能不恰当地影响我们工作的其他个人或组织没有已知的财务和个人关系，对任何产品、服务和/或公司没有可能影响本文所述观点或审稿过程的专业或其他个人利益。

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致谢

作者感谢国家自然科学基金(52371038, U2202255)、先进材料-国家重点科技项目(2025ZD0612100)以及湖南省科技创新计划(2023RC1019)提供的财政支持。