CuCrZr性能研究 - 图文

第5章 CuCrZr-IG合金的组织和性能

5.1 概述和原理 5.1.1 应用概述

具有时效硬化的CuCrZr合金具有优异的耐热性能和电/热输运性能，在焊接、有色金属冶金及热能等领域有着广泛的应用[1]。较氧化铝颗粒弥散强化铜（通常用内氧化法制备[2~5]），CuCrZr合金可以由冶炼方法制备，因此成本相对较低。CuCrZr合金在ITER第一壁/偏滤器/加热系统等部件中也被广泛采用。商用的CuCrZr合金的元素成分在欧洲标准（EN 12167: 1998和EN12165:1998）中有较为严格的规定，材料代号为CW106C[6]。而在铜开发协会（CDA，Copper Development Association）和统一编号系统（UNS, United Numbering System）中，CuCrZr合金的代号则为C18150[7]。两类标准对主元素的含量要求都相对较为宽松。而在ITER应用中，化学成分的要求则进一步严格化，以便于：一方面确保材料在部件制备过程中达到设计要求，另一方面减少材料性能的波动。ITER应用中，CuCrZr材料的设计代号为CuCrZr-IG[8, 9]，IG为ITER Grade的首字母缩写。C18150和CuCrZr-IG的成分对比在表5-1中列出，可以看出，CuCrZr-IG的成分要求在标准成分范围之内。

表5-1 C18150和CuCrZr-IG的成分对比[7~9] 材料代号 Cu Cr Zr 杂质 C18150 base 0.50~1.5 wt.% 0.05~0.25 wt.% ≤0.3 wt.%, CuCrZr-IG base 0.6~0.9 wt.% 0.07~0.15 wt.% 总杂质量≤0.15 wt.%，其中Co*≤0.05，Nb*≤0.10， Ta*≤0.01，O＜20 ppm *辐射防护需要。

由于在ITER中的应用不同以及不同部件的制备工艺不同，CuCrZr-IG的热/塑性加工可以分为如下三种[9]：

1. 固溶处理（980~1000℃，30~60 min）+冷加工（40~70%）+时效处理（450~470℃，2~4 h）（SAcwA工艺）；

2. 固溶处理（980~1000℃，30~60 min）+时效处理（460~500℃，2~4 h）（SAA工艺）；

3. 固溶处理（980~1000℃，30~60 min）+过时效处理（由于大尺寸工程部件制备的特殊要求，时效温度不处在最优条件）（SAoverA工艺）。

在ITER工程设计阶段，做了大量的CuCrZr材料性能表征的工作，针对SAA和SAcwA处理状态，测试结果收录在ITER材料性能手册（MPH，Materials Properties Handbook）中[10]，如图5-1所示。

图5-1 对应SAcwA状态（a）和SAA状态（b）的拉伸屈服强度Sy和抗拉强度Su。Sy,min和Su,min分别代表推荐设计最小屈服强度和最小抗拉强度[9,10]。

图5-2 对应SAoverA和SAA状态，ITER推荐最小设计强度[9,10]。

而针对SAoverA状态，力学性能取决于部件制备工艺，ITER给出了推荐的设计强度值，如图2所示。以ITER第一壁部件制造为例，推荐工艺如下[11]：

— 利用热等静压在1000~1040℃，140MPa条件下压制2小时进行CuCrZr和奥氏体不锈钢的连接；

— 将CuCrZr/不锈钢部件加热至980℃，然后以0.5~1℃/s的冷却速率快速冷却；

— 利用HIP将Be与CuCrZr利用HIP在980℃，140MPa下压制2小时进行连接。

5.1.2 强化原理

从CuCrZr-IG的成分可以看出，Cr为主要强化元素，而Zr元素的作用主要为细化和均匀化沉淀相[12]。先可通过Cu-Cr相图[13]（图5-3是Cu-Cr相图的富Cu端）大致理解该合金的强化原理。以质量分数表示，共晶点为1.27wt.%，1076.6℃；而在共晶温度下，Cr的平衡溶解度为0.72wt.%。对比ITER级CuCrZr合金的成分范围，可以得到：该合金为亚共晶合金，若Cr成分靠下限（0.6~0.72wt.%），则熔体冷却下来时凝固为单一的Cu-Cr固溶体；若Cr成分靠上限（0.72~0.9wt.%），则冷却过程中，先析出Cu基固溶体，而后再析出共晶组织。

图5-3 Cu-Cr相图的富铜端[13]

图5-4 Cr在Cu中的溶解度随温度变化情况[13]

富Cr的固溶体在冷却过程中，Cr在其中的平衡溶解度急剧下降[13]（如图5-4所示），若在某温度下（既能使合金元素有效扩散又能使该温度下的平衡溶解度尽可能低）对过饱和固溶体保温，会导致富Cr颗粒的析出。析出相导致晶格畸变的产生且阻碍位错运动，进而产生强化效应。于此同时，由于过饱和固溶体的分解，使得Cu晶格内部对电子的散射效应降低，进而提高电导率和热导率。ITER对CuCrZr合金的导电率要求是≥75 % IACS[8]，和普通C18150的要求相同[7]。

5.2 热处理和塑性加工对CuCrZr合金组织和性能的影响

5.2.1 冷却方式对CuCrZr组织和性能的影响

以铸造+热锻工艺制备的CuCrZr合金为试验原料，将原料在980度固溶处理1h后以水冷、空冷和随炉冷三种冷却方式（冷却速率：水冷＞空冷＞随炉冷）进行冷却，然后再利用SEM观察组织。对应不同的冷却条件，均在475℃下保温3h进行时效处理。原始组织的SEM照片如图5-5所示。原料成分为：Cu—98.9%，Cr—0.88%，Zr—0.13%；符合ITER要求[8]。原始板材的拉伸数据如表5-2所示。由于热锻后组织缓慢的冷却，导致沉淀相发生了严重的偏聚现象。

原始板材

图5-5 热锻处理后CuCrZr-IG合金的BSE图片

（a）：200X；（b）：8000X 表5-2 原始板材的室温拉伸性能 抗拉强度Rm（MPa） 屈服强度Rp0.2（MPa） 延伸率A（%） 365 321 20.5 327 284 17.5 341 285 18.0