Cu-Cr-Zr 合金成分设计

摘要：本文采用团簇加连接原子模型的材料设计理论并结合实验，构建出承载Cu-Cr-Zr合金成分的结构载体以及相应的团簇成分式，并以此解释了主要合金牌号成分区间的合理性，给出了适用于挤压成形的精确成分配方。

关键词：Cu-Cr-Zr 合金，团簇理论，合金成分设计

Cu-Cr-Zr合金的主要牌号为国标的QCr0.5Zr0.15（对应的国外标准DIN/ASTM/JIS的C18150），质量百分比成分为Cr：0.50-1.50、Zr：0.05-0.25、杂质＜0.2。这是一个典型析出强化合金，但是在高温下合金呈现单相面心立方固溶体结构，因此，后续析出行为源自单相固溶体的化学近程序。根据之前已经确定的面心立方固溶体团簇模型，正常置换固溶的下限为1/32=3.125 at.%，这是因为等径密堆下的面心立方固溶体由16原子构成，而且由于固溶体必然存在富集溶质和贫溶质的两种局域结构单元，而每种结构单元均包含有一个中心原子、12个第一近邻原子和3个次近邻连接原子。但是Cu-Cr-Zr合金的合金化元素总量<1.75wt.% =2 at.%，核心科学问题在于如何处理相析出之前的Cu-Cr-Zr合金固溶体中存在的稀固溶体化学近程序特征。

根据文献[1]报道，450 ℃时效30 min后共格析出5nm Cr相，450℃峰值时效120 min后，共格析出10nm的CrCu2Zr相和Cr相，600℃和800℃过时效30 min后，析出相演变为球状的Cr相和棒状的Cu4Zr相。

为此，本文采用团簇加连接原子模型，首先建立两种稳定析出相Cr和CrCu2Zr的基础结构单元。Cr为体心立方单质，在面心立方固溶体中团簇式为16原子的{[Cr-Cr12]Cr3}={Cr16}；CrCu2Zr相为面心立方结构，结构单元为16原子的{[Zr-Cu8Cr4]Zr3}={Cu8Cr4Zr4}。两者与基体单元{[Cu-Cu12]Cu3}={Cu16}组合，构成{Cr16}（10～12～14）/16{Zr4Cr4Cu8}（6～4～2）/16{Cu16}16*（3～4）-1={Cr16}m/16{Zr4Cr4Cu8}（1-m/16）{Cu16}16x-1=Cu-（0.92～1.19～1.55）Cr-（0.28～0.16～0.07）Zr，wt.%（数字写在元素符号前表示对应的质量百分比，数字写在元素符号下角标表示对应的原子个数），其中中间值用m=12和3～4的中间值x=3.5得到，Cr上限和Zr上限来自x=3，Cr下限和Zr下限来自x=4。该成分式的特点在于{Cr16}和{Zr4Cr4Cu8}的总和为1个，前者相对于后者的平均比例为12：4 = 3：1，而结构单元总数为16*3～16*4个，即在48～64个基础结构单元中有一个析出相单元，由此揭示了两种析出元素Cr和Zr之间的协同变化关系，即Cr：Zr=[m+4*（1-m/16）]：[4*（1-m/16）]=（4+3m/4）：（4-m/4）=（16+3m）：（16-m）。

基于上述理论推导，本文采用了基于“团簇加连接原子”模型理论的Cu-Cr-Zr合金成分控制方案，即Cu-（0.92～1.19～1.55）Cr-（0.28～0.16～0.07）Zr，相对于标准成分区间的Cu-（0.50～1.50）Cr-（0.05-0.25）Zr，优化的成分控制范围更加小，依据此，本文熔炼了三种成分的Cu-Cr-Zr合金，分别为Cu-0.87Cr-0.08Zr合金、Cu-1.15Cr-0.12Zr合金、以及Cu-1.7Cr-0.2Zr，其具体化学成分如表1所示。采用该成分方案，揭示成分对连续挤压Cu-Cr-Zr合金组织和性能的影响规律。

参考文献：

[1] 文舒. （Cu-（43）Zr-（47）Al-7Ag-3）-（99.5）Co-（0.5）非晶复合涂层材料设计、制备及性能研究[D]. 湘潭： 湘潭大学， 2022.