超细晶CuCrZr合金接触线的连续挤压制备及相关性能研究

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CuCrZr合金作为高强高导领域的高性能功能材料,具有优良的力学性能和导电性能,是未来更高速度铁路接触线的候选材料。然而CuCrZr合金元素活性大,一般需要采用真空冶炼工艺制备,常规的接触线制备方法难以制备满足接触网对单根导线长度要求的接触线,影响了合金的实际应用。本文以制备超细晶CuCrZr合金接触线为目标,采用扫描电镜、透射电镜、电子探针、拉伸试验等手段研究了连续挤压工艺对CuCrZr合金微观组织、时效特性、力学性能、电学性能的影响规律,探讨了采用闪光对接焊及连续挤压制备长导线的可行性,为CuCrZr合金长导线的制备提供参考。  对固溶态CuCrZr合金经过不同温度时效后的析出相进行透射观察,发现合金时效初期产物具有fcc结构,并且与基体呈cube-on-cube取向关系;峰值时效态析出相为CrCu2Zr相和Cr相,尺寸为10nm左右,且与基体共格;过时效处理后析出相主要演变为球状的Cr相和棒状的Cu4Zr相。固溶态CuCrZr合金经75%冷变形及450℃时效处理2h后综合性能良好,显微硬度达到166HV,屈服和抗拉强度分别为510MPa和550MPa,延伸率为15.7%,导电率达到78.7%IACS。  连续挤压后CuCrZr合金组织及性能发生显著变化。由于连续挤压过程引入剧烈塑性变形并产生大量热量,使得合金发生不完全动态再结晶,形成亚微米级晶粒。经冷变形及时效处理后,晶粒尺寸小于1μm。在导电率基本不变的情况下,细化的晶粒显著提高了合金的强度和延伸率,与未采用连续挤压的变形加时效的合金性能相比,断裂强度和延伸率分别提高40MPa和1.5%,并且细小的晶粒保持了较高的热稳定性,粗化温度可达500℃以上。同时在连续挤压过程中还有少量的纳米相析出,主要为Cr和CrCu2Zr,这些析出相保持细小弥散的分布状态,有效抑制了再结晶过程的进行,有利于合金保持较高的强度,并有效减少合金后续时效过程所需时间,在相同的合金成分条件下,连续挤压合金的峰值时效时间仅为未连续挤压的一半。  为实现长导线的制备,研究了连续挤压工艺对闪光对接焊CuCrZr合金焊接接头组织及性能的影响。连续挤压后焊缝中心和基体发生不完全动态再结晶,合金晶粒细化至亚微米级,并且有少量纳米Cr和CrCu2Zr相析出。焊接接头过渡区连续挤压后部分晶粒完全再结晶,大部分晶粒为亚晶组织,并且在亚晶粒内部析出少量纳米Cr和CrCu2Zr相。焊接接头过渡区偏聚的微米级富Cr相在连续挤压过程中被破碎,减弱了富Cr相偏聚对合金接头性能的不利影响。在进行冷变形及时效后,焊缝和基体均为亚微米级超细晶组织,同时过渡区连续挤压后形成的再结晶晶粒可以缓解微米级析出相引起的应力集中,有利于消除焊接带来的不利影响,使得冷变形时效后CuCrZr合金接头性能与基体相当,导电率也未明显降低。
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