《Journal of Alloys and Compounds》：The fine CuCrZr alloy with coherent nano-precipitates collaboratively achieves high strength and high-temperature thermal conductivity
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CuCrZr合金通过Y?O?纳米涂层技术结合电子束粉末床熔融制备，实现了微观结构优化与力学性能提升。研究证实Y?O?在熔融前沿引发异质形核，将柱状晶转化为等轴细晶，同时纳米级Cr?O?析出形成完全共格界面，使合金屈服强度从116MPa提升至264MPa，并在700℃仍保持283.7W/(m·K)的高热导率。
李云哲|张世豪|严青波|王艳|魏英康|刘世峰
西安建筑科技大学冶金工程学院，中国西安710055
摘要
CuCrZr合金广泛用于高热流量的部件中，但其强度和高温导热性能仍无法满足实际应用要求。增材制造技术提供了设计上的自由度，但在电子束粉末床熔融（EB-PBF）的快速循环过程中形成的粗大晶粒和纳米沉淀物严重削弱了样品的机械性能。本研究通过球磨法在CuCrZr粉末表面均匀涂覆Y?O?，制备出复合原料。利用EB-PBF工艺制备样品，并研究了Y?O?对合金微观结构、高温导热性能和机械性能的影响。研究结果表明，添加Y?O?的样品在液固界引发了异质形核，使柱状基体转变为等轴细晶。此外，原位形成的Cr?O?纳米沉淀物得到了细化，形成了完全连贯的界面。因此，在不牺牲导热性能的前提下，屈服强度从116 MPa提高到了264 MPa。25°C时的导热率为328.7 W/(m·K)，700°C时仍能保持283.7 W/(m·K)的高导热性能。这项工作为制备具有高强度和高温导热性的铜合金提供了一种可行的方法。
引言
CuCrZr合金是一种沉淀硬化合金，广泛应用于航空航天发动机的燃烧室和核反应堆的导向装置等部件[1]、[2]、[3]。由于增材制造技术可以实现复杂部件的集成成形[1]、[4]、[5]，因此最近引起了研究人员的极大兴趣。
然而，由于CuCrZr合金具有较高的激光反射率，目前仍难以利用激光增材制造技术制备高性能和高密度的复杂部件[6]、[7]。电子束粉末床熔融（EB-PBF）是一种以电子束为能源的增材制造工艺，与激光增材制造相比，CuCrZr合金对电子束的能量吸收率可达到80%以上，因此使用EB-PBF技术制备高密度部件非常容易[8]、[9]。
在我们之前的研究中，发现通过EB-PBF制备的CuCrZr合金具有优异的导电性能（可达70%IACS），且无需额外老化处理，但其屈服强度仅为约100 MPa[10]、[11]。CuCrZr合金用于火箭发动机燃烧室衬里，要求其在高温下具有高强度和导热性[1]。传统上，通过塑性变形来改善CuCrZr合金的性能[12]、[13]、[14]，但增材制造的复杂部件显然无法通过塑性变形来细化晶粒和提高性能。
因此，如何提高EB-PBF制备的CuCrZr合金的强度成为一个亟待解决的问题。传统的熔炼工艺是通过向基体中添加第二相颗粒来改善合金的微观结构和性能（例如TiC[15]、[16]、SiC[17]、[18]、[19]、WC-Co[20]、[21]、TiB[22]、[23]、[24]、Y?O?[25]、[26]、[27]等）。Y?O?在高温下稳定且其在铜中的固溶度很低。但目前，关于通过EB-PBF制备Y?O?增强型CuCrZr合金的研究非常有限。本研究创新性地采用球磨技术将Y?O?稀土氧化物均匀地附着在CuCrZr合金表面，并研究了其对微观结构、导热性能和机械性能的影响。
粉末原料
作为原料使用了通过气体雾化法制备的CuCrZr合金粉末（中国优岩增材科技有限公司生产）。粉末粒径分布为15-106μm，D50值为53.4μm。铬（Cr）、锆（Zr）、铁（Fe）、硅（Si）和磷（P）的元素含量通过电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）测定，氧（O）元素通过脉冲加热惰性气体熔融-红外吸收法测定，具体数据见表1。
缺陷演变受工艺参数影响
图2展示了在不同EB-PBF工艺条件下CuCrZr和Y?O?/CuCrZr的扫描电子显微镜（OM）图像及其相应的孔隙率值（具体过程参见第2.2节，即优化不同扫描速度下的EB-PBF工艺参数）。CuCrZr和Y?O?/CuCrZr合金的孔隙演变机制本质上是电子束能量输入密度与高导热率（约400 W·m?1·K?1）下快速凝固过程之间的竞争动力学结果。
结论
总结来说，本研究提出了一种通过球磨法将Y?O?稀土氧化物均匀引入CuCrZr合金粉末中，从而改善EB-PBF制备的CuCrZr合金机械性能的策略。主要结论如下：
(1)在液固转变阶段，Y?O?的低界面能引发爆炸性形核，使基体从柱状晶粒转变为等轴晶粒。在固态阶段，纳米Y?O?和Cr?O?的共存有助于保持亚晶界并阻止晶粒长大。
作者贡献声明
严青波：数据验证。王艳：实验研究、数据分析。李云哲：论文撰写、审稿与编辑、方法学研究、概念构思。张世豪：数据验证。刘世峰：项目监督、资金申请。魏英康：实验研究、资金申请、数据分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划[2021YFB3701802]、中国科学技术协会青年精英科学家资助计划（YESS20240807）以及西安建筑科技大学2023年度优秀博士论文培育基金[2023XYBPY004]的支持。
原创性声明
我代表所有作者确认，手稿中报告的结果是原创的，整个研究或其任何部分均未曾在其他地方发表。作者保证
