Untersuchungen zu den Eigenschaften von CuCrZr/CuAlCrFeNi2.5-Verbundwerkstoffen
Hintergrund
Werkstoffe auf Kupferbasis werden aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit häufig in den Bereichen Energie, Verkehr und neue Energien eingesetzt. Reines Kupfer hat jedoch eine relativ geringe Festigkeit (weniger als 100 MPa), und herkömmliche Verstärkungsmethoden (z. B. Mischkristallverfestigung) führen häufig zu starken Gitterverzerrungen, die zu einer erheblichen Elektronenstreuung führen und somit die elektrische Leitfähigkeit stark verringern.
Kupferlegierungen wie Cu-Cr-Zr und Cu-Ni-Si können zwar die Festigkeit durch Mischkristall- oder Ausscheidungshärtung erhöhen, doch ist es schwierig, extrem hohe Festigkeitswerte zu erreichen.
Kupferlegierungen mit Keramikpartikelverstärkung haben eine hohe Härte, aber ihre Benetzbarkeit mit der Metallmatrix ist schlecht, was zu einer schwachen Grenzflächenbindung und einem erheblichen Verlust an Leitfähigkeit führt.
CuCrZr/CuAlCrFeNi2.5-Verbundwerkstoffe besitzen eine extrem hohe Festigkeit, eine ausgezeichnete thermische Stabilität und eine gute Metallverträglichkeit. CuAlCrFeNi2.5 wurde als Verstärkungsphase entwickelt, und das darin enthaltene Kupferelement trägt zu einer guten metallurgischen Verbindung mit der Matrix bei.
Experimentelle Verfahren
Bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs werden die Technologien der Gaszerstäubung, des mechanischen Kugelmahlens und des Entladungsplasmasinterns kombiniert.
Rohmaterial:
Matrix: TRUER CuCrZr-Legierungspulver mit einer Korngrößenverteilung von 15-53μm.
Chemische Zusammensetzung von CuCrZr-Pulver:
TRUER Los-Nr. : 20250628-Y4
20 Gew.% CuAlCrFeNi2.5-Pulver mit einer Partikelgröße von 0-25μm hat eine zweiphasige Struktur aus FCC und BCC.
SEM-Foto von CuCrZr/CuAlCrFeNi2.5-Pulver：
Kugelmahlverfahren:
Rotationsgeschwindigkeit 250 U/min, Verhältnis Kugel/Material: 10:1, Dauer: 5 Stunden. Durch das Kugelmahlen wird die Matrix plastisch verformt und die Partikel der Verstärkungsphase werden eingekapselt.
Entladungsplasmasintern (SPS):
Der Druck wird bei 600 MPa gehalten, und die Sintertemperatur reicht von 633 K bis 843 K (mit einem Gradienten von 30 K), bei einer Haltezeit von 10 Minuten. Diese Technologie ist vorteilhaft für die Aufrechterhaltung einer ultrafeinen Kristallstruktur bei niedrigen Temperaturen und hohem Druck.
Analyse der Mikrostruktur
Der Einfluss der Sintertemperatur auf die Dichte
Mit steigender Sintertemperatur verbessert sich die Dichte des Verbundwerkstoffs erheblich.
| Sintern Temp. (K) | Dichte (g/cm3) | Relative Dichte (%) |
| 633 | 8.08 | 95.1% |
| 693 | 8.36 | 98.4% |
| 723 | 8.43 | 99.2% |
| 843 | 8.47 | 99.7% |
Anmerkung: Bei 723 K übersteigt die relative Dichte 99%, was auf den Eintritt in das Stadium der dichten Sinterung hinweist.
Phasenumwandlung und Kornentwicklung
Zusammensetzung der Phase: Die XRD-Analyse bestätigte, dass die Matrix aus Cu bestand und die Verstärkungsphase die B2-Phase und die FCC-Phase enthielt. Mit steigender Temperatur verstärkte die Al-Ni-Ausscheidung die Beugungsspitzen der B2-Phase.
Größe der Körner: Obwohl der Temperaturanstieg zu einem Kornwachstum führt, bleiben die Körner aufgrund der hemmenden Wirkung der Ausscheidungspartikel und des schnellen Prozesses der SPS im Nanometer-/Mikrometerbereich. Bei 633 K beträgt die durchschnittliche Korngröße 210 nm, und bei 843 K steigt sie auf 840 nm.
Mechanische Eigenschaften und Verfestigungsmechanismen
Die Streckgrenze (YS) und die Druckfestigkeit (UCS) des Verbundwerkstoffs zeigen den Trend, dass sie mit steigender Sintertemperatur zunächst zunehmen und dann abnehmen.
Bruchverhalten
Es weist eine gemischte Brucheigenschaft von Zähigkeit und Sprödigkeit auf, mit guter Grenzflächenbindung, wobei das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Plastizität bei 723 K erhalten bleibt.
Die Risse entstehen direkt in der Cu-Legierungsphase und nicht an der Grenzfläche, was auf eine extrem starke Grenzflächenbindungskraft hindeutet.
Schlussfolgerung
Diese Studie zeigt, dass durch die Optimierung der Sintertemperatur (723 K) und die Kombination der Gefügetechnik von Mehrkomponenten-Legierungen Verbundwerkstoffe auf Kupferbasis mit extrem hoher Festigkeit (850 MPa Streckgrenze) und hervorragender elektrischer Leitfähigkeit (40% IACS) hergestellt werden können. Das Design von CuCrZr/CuAlCrFeNi2.5-Verbundwerkstoffen bietet eine wichtige wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung von elektrischen Hochleistungskontaktwerkstoffen der nächsten Generation.
