《Materials Science and Engineering: A》：Enhancing softening resistance of Cu–Cr–Nb–Y alloy fabricated by laser powder bed fusion via nano-Cr
2Nb phase and bimodal grain heterostructure
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高強高導銅合金在激光粉末床融合制備后，具有納米Cr?Nb相和雙模異構結構，其高溫軟化抵抗機理研究顯示：納米Cr?Nb相在700-900℃下保持穩定，抑制晶界遷移和晶粒粗化，與雙模異構結構協同提升軟化溫度至840℃，高溫暴露后仍保持良好力學性能（硬度186±4 HV，強度402±12 MPa，延伸率24.3±1.5%）。
葉書鵬|劉祖明|羅江斌|黃天星|周潤星|姜道炎|劉濤|姜順農
中南大學粉末冶金國家重點實驗室，中國長沙410083
摘要 高強度和高導電性（HSHC）銅合金是火箭發動機燃燒室襯里的優選結構材料，在高溫服役過程中抵抗軟化是一個關鍵的性能指標。通過激光粉末床熔融技術制備的Cu–Cr–Nb–Y合金具有納米級的Cr2 Nb相和雙模態晶粒異質結構，表現出優異的機械強度和導電性。本研究進一步關注了在高溫暴露下納米Cr2 Nb相和雙模態晶粒異質結構的演變及其對合金抗軟化能力的貢獻。結果表明，納米Cr2 Nb相具有出色的熱穩定性，平均尺寸保持在納米級別，并有效抑制了晶界遷移和晶粒粗化，從而提高了雙模態晶粒異質結構的穩定性。在700–900 °C下暴露1–72小時后，在粗晶區域，Cr2 Nb相固定了高角度晶界并抑制了晶粒生長；在細晶區域，亞晶粒聚合促進了再結晶引起的晶粒細化，而納米Cr2 Nb相抑制了后續的晶粒生長，使細晶區域保持了其細小的微觀結構。納米Cr2 Nb相和雙模態晶粒異質結構的優異熱穩定性共同增強了合金的抗軟化能力。因此，該合金的抗軟化溫度高達840 °C，顯微硬度分別為186 ± 4 HV0.2 （700 °C/72 h）、160 ± 4 HV0.2 （800 °C/72 h）和141 ± 2 HV0.2 （900 °C/72 h）。即使在900 °C下極端暴露72小時后，合金仍保持優異的機械性能，屈服強度為225 ± 8 MPa，極限抗拉強度為402 ± 12 MPa，延伸率為24.3 ± 1.5%。這項工作為開發具有優異抗軟化能力的高性能銅合金提供了新的見解。
引言 高強度和高導電性（HSHC）銅合金具有優異的機械性能以及優越的電導率和熱導率，廣泛應用于航空航天、核能、電子通信和鐵路運輸領域[1]、[2]、[3]。以火箭發動機的燃燒室襯里為例，高溫銅合金部件需要承受極端的服務溫度和長時間運行。長期的熱暴露會導致機械性能顯著下降，這已成為限制HSHC銅合金高溫工程應用的關鍵因素。為了滿足極端熱環境的需求，NASA在20世紀80年代開發了一種分散強化的Cu–Cr–Nb合金體系。通過原位 引入Cr和Nb元素形成高熔點和良好熱穩定性的Cr2 Nb相，顯著提高了合金的抗軟化能力。通過傳統的粉末熱壓燒結后熱軋工藝制備的Cu–8Cr–4Nb（按重量百分比）合金具有均勻變形的微米級晶粒和亞微米級的Cr2 Nb相[4]，從而表現出優異的綜合性能。然而，在800 °C下暴露50小時后，晶粒和Cr2 Nb相仍會明顯生長，導致顯微硬度和抗拉強度分別降至110 HV和360 MPa[4]、[5]，表明仍需進一步提高該合金的抗軟化能力。
提高銅合金的抗軟化能力從根本上依賴于改善其微觀結構的熱穩定性，特別是通過抑制高溫暴露期間的晶界遷移和第二相的生長�；谶@一概念，研究人員提出了兩種主要策略。第一種是通過合金化來調節第二相的穩定性。例如，在Cu–Cr基合金中添加少量Mg、La或Ce元素可以有效抑制Cr相的生長，并顯著提高合金的抗軟化溫度[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。第二種策略是引入熱穩定的陶瓷納米相（如Al2 O3 、TiC、MoB2 ）來抑制晶界運動。這通常與冷軋或擠壓結合使用，以引入高密度的位錯和亞晶界，從而提高抗軟化能力[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，這些方法通常需要復雜的制備過程，并面臨雜質控制和第二相分布不均勻的挑戰，這限制了它們在高性能銅合金中的應用。最近，異質變形誘導（HDI）強化效應的概念為提高銅合金的抗軟化能力提供了新的途徑[17]。HDI強化效應利用異質微觀結構區域之間的應變不兼容性來積累幾何上必要的位錯，從而提供額外的強化貢獻[18]、[19]。在Cu–Cr–Nb合金體系中構建熱穩定的異質結構對于實現多尺度協同強化和進一步提高高溫下的抗軟化能力具有很大潛力。
在激光粉末床熔融（LPBF）過程中，熔池溫度場和三維空間中的凝固速率的不均勻分布為構建由細晶區和粗晶區組成的異質結構提供了獨特條件。由于其極高的冷卻速率和非平衡凝固特性，LPBF顯著細化了晶粒和第二相。同時，它在合金中產生了高密度的結構缺陷，如位錯墻、位錯胞和亞晶界，從而大大提高了機械性能[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。目前關于LPBF制備的Cu–Cr–Nb合金的研究主要集中在工藝優化、微觀結構調控和強化機制[25]、[26]、[27]上。一些研究還探討了在600 °C以下溫度下短期直接時效過程中的微觀結構和相應性能的演變[28]、[29]。在我們之前的工作中，我們成功地使用LPBF制備了具有雙模態晶粒異質結構的Cu–Cr–Nb–Y合金，并發現Y微合金化細化了Cr2 Nb相并促進了異質位錯和亞晶粒結構的形成，從而顯著提高了機械性能[30]、[31]。然而，關于這種合金在長期高溫暴露下的軟化行為的系統研究仍然不足。具體來說，微觀結構的演變及其對抗軟化能力的影響尚不完全清楚。我們未來的工作將更詳細地探討Y微合金化對合金抗軟化能力的影響。
在這項工作中，進一步研究了LPBF制備的Cu–Cr–Nb–Y合金在高溫暴露下的行為。系統揭示了納米Cr2 Nb相和雙模態晶粒異質結構的演變及其對抗軟化能力的影響。研究發現，納米Cr2 Nb相具有良好的熱穩定性，即使在長期熱暴露后仍保持納米級別的平均尺寸。這些納米Cr2 Nb相有效抑制了晶粒生長并提高了雙模態晶粒異質結構的穩定性。納米Cr2 Nb相和雙模態晶粒異質結構的協同效應顯著提高了合金的抗軟化溫度和機械性能。本研究的結果為開發具有優異抗軟化能力的高性能銅合金提供了理論支持。
材料制備 在本研究中，使用LPBF設備（271M，湖南Farson，中國）和表1[30]、[31]中詳細描述的優化工藝參數制備了具有雙模態晶粒異質結構和多尺度分散第二相的Cu–Cr–Nb–Y合金。Cu-Cr-Nb-Y合金粉末的成分通過感應耦合等離子體發射光譜儀（ICAP7000，Thermo Fisher Scientific，美國）進行分析，具體成分如表2[31]所示。
雙模態晶粒異質結構的演變 圖2顯示了Cu–Cr–Nb–Y合金在熱暴露后的XRD圖譜。相分析表明所有樣品都顯示出面心立方（FCC）Cu的衍射峰。如圖2(b)所示，隨著暴露溫度的升高，Cu（220）衍射峰向更高角度移動了約0.21°，表明過飽和溶質原子的析出和
納米Cr2 Nb相的穩定性 在高溫暴露（≥700 °C）期間，Cu–Cr–Nb–Y合金中的Cr2 Nb相會發生生長。隨著暴露溫度的升高，較小的Cr2 Nb相溶解得更快，而較大的Cr2 Nb相生長得更快。因此，Cr2 Nb相的總數量減少，平均尺寸增大。第二相尺寸隨暴露時間的演變遵循方程（1）[54]、[55]：
結論 本研究探討了LPBF制備的Cu–Cr–Nb–Y合金在高溫下的抗軟化能力，該合金具有納米級的Cr
2 Nb相和雙模態晶粒異質結構。在高溫暴露過程中，Cr
2 Nb相表現出優異的熱穩定性，并有效抑制了晶粒生長。納米Cr
2 Nb相和異質結構的協同作用顯著提高了合金的抗軟化能力。主要結論如下：
作者貢獻聲明 姜順農： 撰寫 – 審稿與編輯，形式分析，數據管理。周潤星： 撰寫 – 審稿與編輯，形式分析。黃天星： 撰寫 – 審稿與編輯，方法學，形式分析。劉濤： 形式分析，數據管理。姜道炎： 形式分析，數據管理。葉書鵬： 撰寫 – 審稿與編輯，初稿撰寫，方法學，形式分析，數據管理。羅江斌： 撰寫 – 審稿與編輯，形式分析，數據管理。劉祖明： 撰寫
利益沖突聲明 作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的競爭性財務利益或個人關系。
致謝 本工作得到了中國工程院 的重點項目 （項目編號：2019-XZ-11）、中國工程院 的一般項目 （項目編號：2023-XY-18）、國家金屬材料磨損控制與成形聯合工程研究中心 的開放基金（項目編號：HKDNM201907）以及粉末冶金國家重點實驗室 的獨立項目的支持。
