摘要
Cu-Fe难混溶合金，又称Cu-Fe偏晶合金，能够同时兼备组元合金元素Cu的良好导热性、导电性、韧性、延展性和Fe的高硬度、高强度、优异耐磨性及磁学性能等，被广泛应用于制备大型集成电路、电器工程开关以及电气化铁路列车架空导线等。同时，在电子工业、汽车和航空领域中也具有良好的应用前景。目前，有关Cu-Fe偏晶合金的研究侧重于揭示亚稳难混溶合金液相分离过程及微观组织形成机理；调控工艺解决Cu-Fe偏晶合金在常规熔铸过程中产生的组织偏析问题。然而，由于其有限的样品尺寸及复杂的制备工艺，Cu-Fe偏晶合金性能研究甚少，极大地限制了该种合金的工业化应用进程。基于此，本论文采用激光增材制造技术(激光熔化沉积和激光选区熔化)成功制备了块体Cu-Fe偏晶合金，取得了重要的研究结果如下： 针对Cu-Fe偏晶合金易偏析分层问题，采用激光熔化沉积结合机械合金化技术，通过调控Fe含量成功制备了颗粒弥散增强Cu-Fe偏晶合金。结合理论计算构建了微观组织演变的物理模型，揭示了颗粒弥散增强Cu-Fe偏晶合金的液相分离机制。其中，第二相液滴以形核生长机制发生相分离，液滴晶核以扩散、Ostwald熟化和布朗运动、Stokes效应和Marangoni迁移驱动的碰撞和凝并方式长大和粗化，碰撞凝并过程中Marangoni迁移起主导作用，导致第二相富Fe颗粒尺寸呈现从熔池底部到顶部增大的趋势。 开展了颗粒弥散增强Cu-Fe偏晶合金的性能研究，发现颗粒弥散增强Cu-Fe偏晶合金的硬度(~153HV0.2)呈均匀分布且略高于黄铜(~137.7HV0.2)；此外，电化学腐蚀过程中富Fe颗粒优先腐蚀，能够实现富Cu基体的阴极保护，使得Cu95Fe5偏晶合金的耐蚀性优于黄铜；Cu-Fe偏晶合金还表现出较好的软磁性能：饱和磁化强度为9.19emu/g，剩余磁化强度和矫顽力分别为0.13emu/g和9.25Oe。 在快速凝固过程中，由于Kirkendall效应引起的元素分布不均，生成“单孔”和“多孔”富Fe颗粒增强Cu-Fe偏晶合金。“多孔”富Fe颗粒增强Cu-Fe偏晶合金在3.5wt.%NaCl溶液中浸泡5天后的耐蚀性优于“单孔”Cu-Fe偏晶合金和黄铜。基于液相分离机制，通过调整光斑尺寸控制冷却速率，缩短液相分离过程中富Fe液滴的形核扩散、粗化以及碰撞凝并的周期，实现了富Fe颗粒增强相尺寸细化与分布优化，使Cu-Fe偏晶合金的硬度、耐磨性和耐蚀性更加优异。 针对激光熔化沉积高Fe含量Cu-Fe偏晶合金偏析分层现象与尺寸限制，通过采用激光选区熔化成功制备了高Fe含量宏观质量良好的块体Cu-Fe偏晶合金，发现异质“纤维/颗粒-孪晶”富Fe相嵌于富Cu相基体的微观形貌特征，分析了Cu-Fe偏晶合金微观组织演变，探讨了其塑性变形及裂纹扩展机制。在断裂失效过程中，高密度纳米孪晶结构在裂纹扩展过程中起到裂纹桥接作用，能够有效屏蔽裂纹尖端的应力集中，从而抑制裂纹的扩展。 为克服Cu及Cu合金硬度较低和耐磨性较差的难题，基于液相分离机制与低Fe含量弥散结构强化行为研究，引入TiB2颗粒作为形核剂，有效调控液相分离形核过程，优化了Cu-Fe偏晶合金组织结构，使得“纤维/颗粒-孪晶”富Fe相明显细化分散，分析讨论了TiB2颗粒和高密度纳米孪晶增强Cu-Fe偏晶合金强化机制与磨损机理。其中，高硬度纤维富Fe相增强了富Cu基体，使TiB2颗粒难以移动或移除，增加了TiB2颗粒在磨损过程中的支撑作用，保护表面富Cu基体不受磨损，提高富Cu相基体的承载能力，使Cu-Fe偏晶合金耐磨性明显提高。 针对Cu-Fe偏晶合金“强－韧”倒置矛盾，基于高Fe含量Cu-Fe偏晶合金脆性富Fe相在变形过程中易断裂失效行为研究，通过选用316L不锈钢粉末代替初始Fe合金粉末，降低混合粉末层错能，原位形成强韧性良好的“纤维/颗粒-孪晶/层错”结构富Fe相增强增韧Cu-Fe偏晶合金，其强度约590±10MPa，延伸率约8.9±1%，这主要归因于富Cu基体具有大角晶界类似于界晶强化、细小富Cu基体含有过饱和固溶Fe呈现固溶强化与细晶强化、大量“纤维/颗粒-孪晶/层错”富Fe相的界面强化和孪晶界/层错强化综合作用增强Cu-Fe偏晶合金力学性能。
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