文靖瑜，劉祖銘，麻夢(mèng)梅，呂學(xué)謙

氬氣霧化制備Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的顯微組織及性能

文靖瑜，劉祖銘，麻夢(mèng)梅，呂學(xué)謙

(中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

采用氬氣霧化制備Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末，對(duì)粉末的粒徑分布、氧含量、松裝密度、流動(dòng)性、形貌、物相組成和顯微組織等進(jìn)行表征。結(jié)果表明，Cu-3Ag-0.5Zr合金霧化粉末球形度較高，粒徑呈正態(tài)分布，90%(體積分?jǐn)?shù))的粉末粒徑小于200 μm，中位徑v(50)約為49.9 μm。小于50 μm，50~106 μm以及大于106 μm這3個(gè)粒級(jí)的粉末氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.067%，0.039%和0.013%，松裝密度分別為4.39，4.95和5.02 g/cm3，粉末流動(dòng)性分別為16.59，15.96和15.62 s/50 g。粉末組織細(xì)小均勻，平均晶粒尺寸為3.82 μm。大粒徑粉末為樹枝晶組織，小粒徑粉末為等軸晶組織，沒有觀察到明顯的Ag或Zr等第二相析出，形成了成分均勻的過飽和固溶體。

氬氣霧化；Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末；粉末粒度；表面形貌；顯微組織

Cu-Ag-Zr合金具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、較高的強(qiáng)度和疲勞性能，在電子電訊、交通以及航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]，美國(guó)NANS研制的NARloy-Z已用作航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)材料[2]。銅合金的強(qiáng)度與電導(dǎo)率是相對(duì)矛盾的，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與高導(dǎo)電性能的結(jié)合是發(fā)展高性能Cu-Ag-Zr合金面臨的挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)外開展了許多研究。LYUBIMOVA等[3]通過對(duì)Cu-Ag-Zr合金進(jìn)行大塑性變形與熱處理來提高材料的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 200 MPa。BITTNER等[4]采用熔煉鑄造法制備的Cu-7Ag-0.05Zr合金，在Ar氣氛中850 ℃/5 h均勻化處理，再經(jīng)750 ℃熱軋和Ar氣氛中400 ℃/18 h熱處理后，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 000 MPa，電導(dǎo)率為70%IACS。宋練鵬等[5]采用熔煉+鑄造+熱軋+冷軋+熱處理工藝制備的Cu-3Ag-0.2Zr合

金，抗拉強(qiáng)度達(dá)到314 MPa，電導(dǎo)率為87%IACS。徐然--等[6]采用熔煉鑄造法制備的Cu-3Ag-0.5Zr合金，經(jīng)940 ℃固溶處理+80%冷變形+450 ℃/8 h時(shí)效處理，獲得492 MPa的抗拉強(qiáng)度及10.4%的伸長(zhǎng)率。徐玉松等[7]采用真空感應(yīng)爐熔煉制得Cu-3Ag-0.5Zr合金，經(jīng)920 ℃/40 min固溶處理+30%冷變形+420 ℃/3 h時(shí)效空冷處理，抗拉強(qiáng)度為430 MPa，電導(dǎo)率達(dá)到89% IACS。馬行馳等[8]通過熔煉鑄造制備的Cu-0.1Ag-0.18 Zr合金，經(jīng)940 ℃/1 h固溶處理+60%冷變形+480 ℃/ 1 h時(shí)效處理，電導(dǎo)率為85%IACS。近年來，粉末冶金法制備高性能Cu-Ag-Zr合金受到關(guān)注。CODDET等[9]采用真空等離子噴涂法制備NARloy-Z合金，抗拉強(qiáng)度達(dá)到600 MPa。麻夢(mèng)梅等[10?11]采用霧化粉末快速成形工藝制備了成分均勻、晶粒細(xì)小，第二相均勻分布的Cu-3Ag-0.5Zr合金。蔡宏中等[12]采用超音速氣霧化法制備了CuAg10合金粉末，平均粒徑為44 μm，其組織為二次枝晶臂間距很小的枝晶。祝溪明等[13]采用液相還原法制備球形納米晶Cu-Ag合金粉末，平均粒度為75 nm。本文作者為了獲得成分均勻、晶粒細(xì)小、高度固溶的過飽和固溶體粉末，采用氬氣霧化法制備Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末，對(duì)粉末的特性、形貌、物相和顯微組織等進(jìn)行表征，對(duì)于高性能粉末冶金Cu-Ag-Zr合金的制備具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末制備

實(shí)驗(yàn)用原料為純金屬銅(純度≥99.995%)、銀(≥ 99.95%)和鋯(≥99.2%)塊體。按照Cu-3Ag-0.5Zr合金的名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)配料，然后在英國(guó)PSI緊耦合氣霧化爐內(nèi)進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉和Ar氣霧化，制得Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末。霧化溫度為1 350 ℃，霧化壓力為3.5 MPa，噴嘴直徑為2.5 mm。為了研究不同粒徑粉末的性能、形貌和組織，采用300目和140目Taylor標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)對(duì)合金粉末進(jìn)行篩分，得到粒徑＜50 μm、50~106 μm以及＞106 μm的粉末。

1.2 分析測(cè)試

利用IRIS Advantage 1000等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)測(cè)定Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的實(shí)際成分。用TCH600氧氮?dú)錅y(cè)定儀測(cè)定粉末的氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。用Malvern Mastersizer 3000激光粒度分析儀分析粉末的粒度分布。用JF-02霍爾流速計(jì)/松裝密度儀測(cè)定粉末的流動(dòng)性和松裝密度。用D/max2550 X射線衍射儀(XRD)對(duì)粉末進(jìn)行物相分析。用Quanta 250 FEG掃描電鏡觀察粉末的形貌及顯微組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑分布

圖1所示為Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的粒徑分布。從圖中看出，粉末的粒徑呈正態(tài)分布。90%(體積分?jǐn)?shù))的粉末粒徑小于200 μm，在100 μm以下粒度的粉末占58%。合金粉末的中位徑v(50)為49.9 μm，接近粒徑分布曲線的最高值對(duì)應(yīng)的粉末粒徑，v(10)為12.6 μm，v(90)為142 μm。

圖1 Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的粒徑分布

2.2 成分、氧含量、松裝密度和流動(dòng)性

用等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)得粉末的成分為Cu- 3.08Ag-0.32Zr，與名義成分Cu-3Ag-0.5Zr相比，Zr含量降低0.18%。表1所列為不同粒度的Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的氧含量、松裝密度和流動(dòng)性。從表1可知，氬氣霧化制備的Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末氧含量較低。不同粒徑的粉末，其氧含量有較明顯的差別，這是因?yàn)榉勰┑牧皆叫。缺砻娣e越大，粉末越容易吸附氧，粉末的氧含量越高；反之，隨粉末粒徑增大，氧含量降低。

從表1還看出，不同粒徑的粉末，其松裝密度與流動(dòng)性也明顯不同。粒徑小于50 μm的細(xì)粉末松裝密度為4.39 g/cm3，流動(dòng)性為16.59 s/50 g；粒徑為50~ 106 μm的粉末松裝密度為4.95 g/cm3，流動(dòng)性為15.96 s/50 g；粒徑大于106 μm的粉末的松裝密度增加至5.02 g/cm3，粉末的流動(dòng)性降低至15.62 s/50 g，隨粉末粒徑增加，松裝密度增大。這是因?yàn)樾×降姆勰╊w粒與顆粒之間的間隙較小，但顆粒間容易粘附和搭橋，導(dǎo)致松裝密度較小，也使得粉末移動(dòng)受到阻礙，并且粉末顆粒表面易吸附水分和氣體，導(dǎo)致粉末的流動(dòng)性較差。隨粉末粒徑增大，顆粒與顆粒之間的間隙雖然增大，但粘附與搭橋現(xiàn)象減少，單位體積內(nèi)的粉末間隙所占的體積減小，所以松裝密度增大。

表1 Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的氧含量、松裝密度和流動(dòng)性

2.3 物相組成

圖2所示為Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的XRD譜。由圖2(a)可見不同粒度的粉末都只有單一的面心立方Cu相的特征峰，沒有出現(xiàn)其它物相的衍射峰，表明所有Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的相組成相同。將圖2(a)中的(111)晶面衍射峰放大，如圖2(b)所示，可見隨粉末粒徑減小，衍射峰向小角度偏移和寬化。在Cu-3Ag- 0.5Zr合金霧化過程中，合金熔體快速凝固，抑制了Ag和Zr及其化合物的析出，形成Ag和Zr高度固溶的過飽和固溶體。粉末粒徑越小，冷卻速度越大，過飽和度增加，晶格畸變?cè)絿?yán)重，所以Cu的衍射峰向小角度偏移且寬化。

2.4 形貌

圖3所示為Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的顯微形貌。從圖3(a)看出，粉末主要為球形，粒度較均勻。在高速霧化氣流的作用下，金屬液流受到?jīng)_擊而破碎成細(xì)小的熔滴，在表面張力的作用下產(chǎn)生球化，所以顆粒具有較高的球形度。從圖3(b)、(c)和(d)可見，粒徑大于106 μm的粉末，其表面呈明顯的樹枝晶組織，部分大顆粒表面伴有少量衛(wèi)星顆粒；粒徑介于50~106 μm之間的粉末，球形度較好，表面呈樹枝晶和等軸晶組織；粒徑小于50 μm的粉末表面光滑，具有短棒狀樹枝晶組織，表面無衛(wèi)星粉末。粒度＞106 μm和50~106 μm的粉末，是由尺寸和體積較大的金屬液滴凝固收縮而形成的顆粒，表面留下凹凸不平的凝固收縮的痕跡。隨液滴尺寸增大，冷卻速度減慢，使得等軸晶有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大，逐漸形成樹枝晶組織。粒徑小于50 μm的粉末，是由尺寸和體積較小的金屬液滴形成，其冷卻速率高，晶體長(zhǎng)大受到限制，因而顆粒表面光滑。

圖2 Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的XRD譜

(a) XRD patterns with different diameters; (b) Diffraction peak of Cu (111) at higher magnification

2.5 顯微組織

圖4所示為Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的顯微組織與能譜分析線掃描結(jié)果。由圖4(a)可見粒徑大于106 μm的粉末為快速凝固形成的樹枝晶結(jié)構(gòu)，晶粒均勻，粉末顆粒邊緣和中心的組織沒有明顯區(qū)別，平均晶粒尺寸約為4.01 μm。圖4(b)顯示粒徑為50~106 μm粉末的平均晶粒尺寸為3.96 μm，與粒徑大于106 μm的粉末相比，晶粒稍有細(xì)化，但晶粒的形狀變得不規(guī)則。粒徑小于50 μm粉末的平均晶粒尺寸為3.82 μm，出現(xiàn)了棒狀晶粒(見圖4(c)所示)。從圖4(d)可看出，所有元素都分布均勻。由圖4可知霧化粉末內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，晶粒細(xì)小、均勻，沒有觀察到明顯的第二相，結(jié)合圖2物相分析結(jié)果得知，采用氬氣霧化制備的銅合金粉末形成了成分均勻的過飽和固溶體。粉末粒徑越小，晶粒尺寸越小。Cu-3Ag-0.5Zr合金鑄態(tài)組織晶粒尺寸約為60~80 μm[14]，可見采用氬氣霧化可明顯細(xì)化合金的顯微組織。

圖3 Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的SEM形貌

(a) Alloy powder; (b)＞106 μm; (c) 50?106 μm; (d)＜50 μm

圖4 Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的顯微組織和線掃分析

(a) ＞106 μm; (b) 50?106 μm; (c)＜50 μm; (d) Line scan analysis results of powder section

3 結(jié)論

1) 采用氬氣霧化法制備的Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末， 90%的粉末粒徑小于200 μm，中位徑v(50)約為49.9 μm。大粒徑粉末顆粒表面為樹枝晶組織，伴有少量的衛(wèi)星顆粒，小粒徑粉末表面光滑，呈等軸晶組織。

2) 氬氣霧化制備的Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末組織細(xì)小均勻，平均晶粒尺寸為3.82 μm。在晶粒內(nèi)部以及晶界處沒有觀察到明顯的Ag或Zr等第二相析出，形成了成分均勻的過飽和固溶體。

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Microstructure and properties of Cu-3Ag-0.5Zr alloy powder prepared by argon gas atomization

WEN Jingyu, LIU Zuming, MA Mengmei, Lü Xueqian

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Cu-3Ag-0.5Zr alloy powder was fabricated by argon gas atomization, and its particle size distribution, oxygen content, apparent density, flowability, morphology, phase and microstructure were investigated. The results show that argon gas atomized Cu-3Ag-0.5Zr alloy powders are almost spherical and normal distribution. 90% of particle size of the powders is less than 200 μm. The median diameterv(50)is about 49.9 μm. Oxygen content (mass fraction) ofCu alloy powders with size less than 50 μm, between 50?106 μm and more than 106 μm are 0.067%, 0.039% and 0.013%, the apparent density are 4.39, 4.95and 5.02 g/cm3, and the flowability are 16.59, 15.96 and 15.62 s/50 g, respectively. The microstructure of the powders is fine and homogeneous, and the average grain size is 3.82 μm. The microstructure of large particle size powders is dendritic crystal structure and the microstructure of small particle size powders is equiaxed crystal structure. There is no obvious Ag or Zr second-phase precipitation in powder matrix, and the structure of powder is a homogeneous supersaturated solid solution.

argon gas atomization; Cu-3Ag-0.5Zr alloy powders; powder size; morphology; microstructure

TG146.1

A

1673-0224(2019)03-329-05

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009AA03Z526)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0301300)；中南大學(xué)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015CX004)

2018?06?29；

2018?07?26

劉祖銘，博士，教授。電話：0731-88836355；E-mail: lzm@csu.edu.cn

(編輯 湯金芝)