深冷轧制与短时退火协同提升CuCrZr/Cu层状金属复合材料力学-电学-摩擦学性能集成机制研究

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Unveiling the mechanism for enhanced mechanical–electrical–tribological property integration in CuCrZr/Cu laminated metallic composites via cryorolling and short-term annealing

　　本研究针对纯铜强度低、耐磨性差制约其在关键连接件应用的问题，通过热轧结合深冷轧制及短时退火工艺，成功制备了具有大厚度比(0.2:1.6:0.2)的CuCrZr/Cu/CuCrZr层状金属复合材料(LMCs)。研究结果表明，经673K/30min退火后，材料展现出优异的综合性能：抗拉强度292MPa、电导率96.7%IACS、磨损率2.38×10-4 mm3·N-1·m-1。该性能提升主要归因于CuCrZr层中纳米级Cr-rich析出相(≈4nm)的沉淀强化效应，以及Cu层中高密度退火孪晶(面积分数43.2%)的形成。本研究为开发低成本高性能铜基复合材料提供了创新策略。

　　

在现代电力工业中，纯铜因其卓越的导电性能成为不可或缺的基础材料。然而，就像一位"偏科"的优等生，纯铜在拥有高导电性的同时，却存在着明显的短板——强度和耐磨性不足。这一缺陷导致其在承受机械应力的关键连接部件中的应用受到严重限制。据统计，全球约80%的机械部件失效是由磨损引起的，其中仅微动磨损就造成了近60%的汽车电气故障。这一严峻现实凸显了开发高性能铜基材料的迫切性。

为了弥补纯铜的力学性能缺陷，研究人员尝试了各种铜基复合材料体系。但在异种金属复合体系（如Cu-Al、Cu-Steel）中，脆性金属间化合物的控制始终是一大挑战。因此，结合了CuCrZr合金高强度与纯铜优异导电性的CuCrZr/Cu异种铜合金复合材料近年来受到越来越多的关注。然而，现有技术通常需要高体积分数的CuCrZr合金才能实现显著性能提升，这大大增加了材料成本（纯铜价格仅为CuCrZr的38%），且对耐磨性的系统研究仍不充分。

在此背景下，发表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》的最新研究提出了一种创新解决方案。该研究采用热轧结合深冷轧制及短时退火的工艺路线，成功制备了具有大厚度比的CuCrZr/Cu/CuCrZr层状金属复合材料，实现了性能与成本的最佳平衡。

研究团队采用了几项关键技术方法：通过热轧实现初始复合，利用深冷轧制促进界面结合和变形均匀性，采用短时退火同步实现Cu层再结晶和CuCrZr层时效强化。材料性能通过显微硬度测试、拉伸试验、剥离强度测试、电导率测量和摩擦磨损测试进行全面表征。微观结构分析运用了电子背散射衍射(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)等技术，特别是通过改进的Williamson-Hall方法定量分析了位错密度。

3.1 CuCrZr/Cu/CuCrZr LMCs的微观结构

微观结构分析显示，经过723K/1h退火的纯铜实现了再结晶，平均晶粒尺寸为23.43μm。而经过1273K/10min固溶处理的CuCrZr合金晶粒更细，平均尺寸为17.76μm。轧制后，各层厚度保持初始比例，界面结合良好无缺陷。

EBSD分析揭示了不同处理状态下各组成层的微观结构演变。在深冷轧制(CR)样品中，Cu和CuCrZr层的晶粒均呈现伸长形态，CuCrZr晶粒明显细于Cu层。退火后，Cu层经历了广泛的再结晶并伴随晶粒粗化和退火孪晶发展，而CuCrZr层保留了变形晶粒结构，变化可忽略不计。晶粒取向分布(GOS)分析证实，CuCrZr层在所有状态下主要包含变形晶粒，再结晶分数从未超过10%。

晶界图和取向差分布直方图显示，在CR样品中，两个组成层都表现出高比例的小角度晶界(LAGBs)，这是严重塑性变形的典型特征。退火后，CuCrZr层中的LAGB/HAGB比例变化可忽略不计，而Cu层由于再结晶表现出显著的LAGB向HAGB转化。

TEM分析显示，轧制后CuCrZr/Cu界面呈现连续且结合良好的形态，CuCrZr层中存在纳米级变形孪晶(DTs)，周围有高密度位错。在退火样品中观察到明显的析出相，CR-A673K样品比CR-A623K样品具有更高的析出相密度。

XRD分析仅显示FCC Cu的特征反射，无额外明显峰位。通过改进的Williamson-Hall方法计算位错密度，CR样品的位错密度达到1.4×10¹⁵ m^-2，退火过程中位错恢复发生，密度降至9.9×10¹⁴ m^-2(CR-A623K)和9.5×10¹⁴ m^-2(CR-A673K)。

3.2 CuCrZr/Cu/CuCrZr LMCs的力学性能

显微硬度测试显示，轧制后两层硬度均显著增加，CuCrZr层达到171.8HV，明显高于Cu层的106.3HV。退火后，Cu层硬度降至接近初始水平，而CuCrZr层在673K/30min后退火硬度略有增加(188.4HV)。

基于工程应力-应变曲线，初始Cu和CuCrZr板材的极限抗拉强度(UTS)值分别为225MPa和230MPa。轧制后，CuCrZr/Cu/CuCrZr LMCs的UTS增加至427MPa。经623K和673K退火后，复合材料分别保持280MPa和292MPa的UTS值。值得注意的是，CR-A673K样品比CR-A623K样品表现出更高的均匀伸长率和UTS。

断裂形态分析显示，所有样品在拉伸变形后都表现出不同程度的界面分层，这是由Cu和CuCrZr层之间性能不匹配导致的变形不兼容性引起的。Cu层经历了明显的颈缩，而CuCrZr层颈缩有限，表明大部分塑性变形由Cu层承担。

界面结合质量测试显示，CR样品表现出最低的结合强度，平均剥离强度为2.96N/mm。退火后，结合强度显著增加，CR-A673K样品达到6.49N/mm，比CR状态提高119%。

3.3 CuCrZr/Cu/CuCrZr LMCs的电导率

电导率测试结果显示，固溶处理后CuCrZr的电导率为38.3%IACS。尽管加入了固溶处理的CuCrZr，轧制态LMC仍保持90.5%IACS。经673K退火后，电导率增加至96.7%IACS，接近纯铜水平。

3.4 CuCrZr/Cu/CuCrZr LMCs的摩擦磨损性能

摩擦曲线表明，CR、CR-A623K和CR-A673K均表现出稳定的摩擦行为，摩擦系数变异性低于单体Cu和CuCrZr。所有样品的平均摩擦系数在0.54-0.65范围内。Cu样品表现出最高的磨损率(6.73×10^-4 mm³·N^-1·m^-1)，而CR-A673K样品磨损率最低(2.38×10^-4 mm³·N^-1·m^-1)。

磨损表面SEM分析显示，初始Cu的磨损表面呈现大面积剥落、浅沟和粘着碎屑，表明以疲劳磨损和粘着磨损为主的混合磨损机制。初始CuCrZr则表现出大量沟槽，伴有轻微分层和粘附碎屑，主要磨损机制为磨粒磨损。CR样品表现出浅犁沟和松散碎屑，反映磨粒-粘着混合磨损机制。热处理样品也表现出混合磨损机制，但磨粒磨损比例显著更高。

对偶件表面分析显示，Cu和CuCrZr样品在各自对偶件上产生最大的磨损面积，其中CuCrZr产生最大磨损面积(396946μm²)。而CR-A623K和CR-A673K样品的对偶件表面未发现粘附碎屑，CR-A673K对偶件的磨损面积最小。

磨损轮廓分析进一步证实了通过材料强化实现的耐磨性提升。CR-A673K样品显示出最浅最窄的磨损轨迹(宽度375μm，深度约4.65μm)，相对于初始CuCrZr样品宽度减少43%，深度减少74%。

4 讨论

本研究成功制备了具有高厚度比(0.2:1.6:0.2)的CuCrZr/Cu/CuCrZr LMCs，以最小化合金消耗。从经济角度计算，该复合材料的原材料成本为60.8 RMB·kg^-1，成本性能比达到～471(MPa %IACS)/RMB，接近纯铜的值(504(MPa %IACS)/RMB)，远超过CuCrZr合金(73(MPa %IACS)/RMB)。

4.1 力学性能增强机制

异常力学行为源于双层结构设计：退火过程中，Cu层以再结晶为主，而CuCrZr层在673K时开始析出强化。EBSD分析证实，623K和673K退火后Cu层的再结晶晶粒分数相当(98.17%和98.88%)，导致硬度几乎相同。然而，CuCrZr层在673K退火后表现出更高硬度，这与析出相的数量和平均尺寸有关。

高分辨率TEM分析显示，CR-A623K样品中析出相主要分布在2-4nm范围内，而CR-A673K样品包含更多大于4nm的析出相。这些均匀分散的纳米析出相有效阻碍位错运动，提高CuCrZr层强度。

强度贡献的定量分析表明，CR-A623K和CR-A673K中Cu层的贡献几乎相同，而CR-A673K中CuCrZr层的析出强化贡献明显高于CR-A623K。

退火后，Cu层主要贡献复合材料塑性。EBSD量化了孪晶面积分数以及Σ3和Σ9晶界的长度分数，CR-A673K中Cu层的孪晶面积分数和Σ3、Σ9晶界长度分数分别比CR-A623K高2.6%、10%和1%。与随机晶界相比，Σ3孪晶提供跨界面的优异应变兼容性，降低局部应力集中可能性。

4.2 高电导率机制

Σ3ⁿ(n=1,2,3)晶界比随机晶界具有更低的电子散射能力，其较高比例有助于提高导电性。CR-A673K中大量Σ3晶界的存在是其电导率提高的主要因素之一。通过定量评估各散射源对电阻率的贡献，发现CR-A623K和CR-A673K之间导电性的主要差异源于析出电阻和溶质原子电阻的差异。在CR-A673K样品中，由于退火过程中Cr和Zr析出增强，溶质原子浓度显著降低，导致溶质原子电阻下降至17.2×10^-10 Ω·m。

4.3 高耐磨性机制

磨损表面分析表明，CR、CR-A623K和CR-A673K样品均表现出磨粒和粘着磨损机制的组合。粘着磨损比磨粒磨损导致更严重的材料去除和更深的表面损伤，这解释了CR样品相对较高磨损率的原因。滑动磨损行为与显微硬度密切相关，耐磨性随硬度增加而增强。CuCrZr层中的析出相增加了硬度，减少了磨粒穿透，从而提高了CR-A673K样品的耐磨性。

5 结论

本研究通过热轧、深冷轧制和短时退火成功制备了高厚度比的CuCrZr/Cu/CuCrZr LMCs，系统阐明了加工路线对LMCs微观结构和性能的影响，主要得出以下结论：

经673K退火后，LMCs表现出292MPa的UTS和18.7%的均匀伸长率(UE)。与初始CuCrZr合金相比，UE基本保持不变，而UTS增加了27%。这种增强源于双重机制：CuCrZr层中的纳米级富Cr析出提供高强度，而Cu层中丰富的退火孪晶保持塑性。

CR-A673K样品达到96.7%IACS的电导率，接近纯铜水平(100%IACS)。高导电性源于CuCrZr层中溶质贫化减少电子散射，以及Cu层中具有低散射倾向的Σ3晶界的高比例(45.5%)。

CR-A673K样品表现出最低磨损率2.38×10^-4 mm³·N^-1·m^-1。耐磨性改善源于CuCrZr层中均匀分布的富Cr析出相(约4nm)，增强了硬度从而减少磨损。

该研究通过巧妙的材料设计和工艺优化，成功解决了纯铜强度不足与高成本CuCrZr合金应用受限的行业难题，为电力工业关键连接部件提供了高性能、低成本的理想材料解决方案，具有重要的工程应用价值。