哈工大(深圳)《JMST》：金属玻璃颗粒增强铜合金实现高强高导！

第一作者：包伟宗，陈洁

通讯作者：谢国强

通讯单位：哈尔滨工业大学（深圳）

DOI：10.1016/j.jmst.2022.04.024

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哈尔滨工业大学（深圳）谢国强教授团队通过一步放电等离子体烧结工艺制备了压缩屈服强度892 MPa，电导率32% IACS的多尺度铜基金属玻璃复合材料。通过调控固结过程中的温度和压力，实现了金属玻璃增强体和铜合金基体的良好界面结合。金属玻璃增强体的引入为高性能电接触材料的制备和开发贡献了新思路。相关工作以“Optimized strength and conductivity of multi-scale copper alloy/metallic glass composites tuned by a one-step spark plasma sintering (SPS) process”发表在Journal of Materials Science & Technology （Vol. 128 Page 22-30）上。哈尔滨工业大学（深圳）博士研究生包伟宗和陈洁为共同第一作者，谢国强教授为通讯作者。

研究背景

近年来，铜合金凭借其丰富的储量和低成本在工业应用电接触材料中占据了绝对份额。新一代航天器、电动车辆和通信设备正在主导电接触材料向高集成度、高性能和高稳定性发展。通过烧结技术制备的铜基接触复合材料成为传统铜合金的一种极具前景的替代品。由于烧结缺陷和界面结合的限制，通过常规烧结获得的铜基复合材料无法完美整合各组元的优异机械和电气性能，因此难以满足高性能电接触器件核心部件的标准。基于此，本工作选择高强度CuZrAl金属玻璃和高导电性CuCrZr合金作为出发材料，利用放电等离子体烧结工艺合成了大块铜基金属玻璃复合材料。系统地研究了放电等离子体烧结中不同加载压力和烧结温度制备的复合材料的微观结构特征、力学性能和电导率。揭示了金属玻璃颗粒对复合材料的强化机制，初步探讨了优化后的金属玻璃与基体的界面结合在动态变形中的积极作用。

本文亮点

（1）采用一步放电等离子烧结方法制备了高强度、高导电率的多尺度铜基金属玻璃复合材料；

（2）表征和讨论了多尺度结构和优异的界面结合对复合材料力学和导电性能的增益效果。

图文解析

图1 （a）CuZrAl金属玻璃粉末、（b）CuCrZr合金粉末、（c）球磨后的复合粉末，（d）粉末对应的XRD图谱。

作者利用高压气雾化法制备了CuZrAl金属玻璃粉末和固溶态CuCrZr合金粉末，其形貌分别展示在图1（a）和（b）中。将两种粉末进行机械球磨，球磨后的复合粉末如图1（c）所示。球磨后的CuZrAl金属玻璃粉末外观轻微受损，仍然以球形或椭圆形形式存在；而软的CuCrZr合金粉末包裹在金属玻璃颗粒周围，如虚线区域所示。球磨工艺的选择主要有以下优点：1. 使两种粉末混合均匀；2. 细化合金基体晶粒；3. 形成“软相包覆硬相”结构，有利于后续烧结。对应的粉末XRD图谱显示在图1（d）中，其中复合粉末的XRD图显示了铜的尖峰叠加在非晶的宽展峰上，不存在额外的结晶峰，表明球磨过程中无晶化行为发生。

图2 在（a）100 MPa、（b）300 MPa、（c）500 MPa不同烧结压力下制备的复合材料的SEM显微照片，（d）500 MPa压力下制备的试样对应的EDS结果，（e）500 MPa压力下制备的试样中CuCrZr相的IPF图及（f）晶粒分布图。

将球磨后的复合粉末进行放电等离子体烧结，图2（a）-（c）显示了在不同烧结压力（100 MPa、300 MPa和500 MPa）下制备的金属玻璃复合材料的显微照片。由图2（d）的EDS结果确定亮相是CuZrAl金属玻璃，暗相是CuCrZr合金。随着烧结压力的增加，显微空隙逐渐减少并在300 MPa下消失。金属玻璃颗粒和合金基体在高压烧结条件下呈现良好的结合状态。由于高压和脉冲电流引起的粉末之间的表面效应，氧化物层被破坏，因此获得高迁移率以促进复合材料的致密化。由图2（e）和（f）中的基体EBSD结果可知，在球磨及高压烧结的双重作用下，CuCrZr基体晶粒达到约387 nm的超细晶级别。

图3（a）在不同温度下烧结的复合材料的工程应力—应变曲线，（b）复合材料的电导率随烧结温度的变化趋势。

在不同烧结温度下制备的金属玻璃复合材料的工程应力—应变曲线如图3（a）所示。随着烧结温度从693 K升高到723 K，复合材料的压缩屈服强度从721 MPa提高到892 MPa，压缩塑性从13.4%下降到5.7%。在733 K烧结的复合材料显示出强度降低和塑性轻微回弹。这是由在733 K下烧结的CuZrAl金属玻璃增强体的大量晶化引起的。图3（b）显示了复合材料的电导率随烧结温度的变化趋势。实验结果表明，随着烧结温度的升高，复合材料的电导率呈现出先稳定后升高的趋势。当烧结温度为723 K时，制备的复合材料具有最佳的压缩屈服强度（892 MPa）和电导率（32.83% IACS）的组合。

图4 （a）693 K-500 MPa烧结的复合材料界面形态的TEM图像，（b）CuCrZr合金相和（c）CuZrAl金属玻璃相的HRTEM图像；（e）723 K-500 MPa烧结的复合材料界面形态和（f）析出相的HRTEM图

在693 K和500 MPa条件下烧结的金属玻璃复合材料的界面微观结构如图4（a）所示。图4（b）和（c）分别示出了CuCrZr合金相和CuZrAl金属玻璃相的高分辨率TEM图像。可以清晰地观察到增强体和基体之间的紧密结合，没有间隙或显微裂纹的存在。在金属玻璃相上没有沉淀纳米晶意味着在693 K的烧结温度下CuZrAl金属玻璃相没有发生结晶转变。图4（e）和（f）分别显示了在723 K和500 MPa下烧结的复合材料的界面微观结构和析出相的高分辨照片。纳米晶由于CuZrAl金属玻璃的结晶转变在界面处沉淀，如虚线蓝色区域所示。这表明界面处的高能量促使CuZrAl金属玻璃首先在界面处结晶。此外，界面处元素的扩散也是诱导玻璃化转变的先决条件之一。部分纳米沉淀相生长在晶体Cu的晶界附近，晶间界面形成涉及原子的扩散迁移，意味着界面上可能存在一些原子匹配度量，这种现象的存在对改善金属—玻璃复合界面具有重要意义。

结论展望

本研究通过一步放电等离子体烧结技术制备了兼具高强度和高导电性的多尺度铜基金属玻璃复合材料。高压放电等离子体烧结显著改善了粉末颗粒之间粘附性差的缺点，实现了金属玻璃增强体与基体之间的良好界面结合。通过烧结温度调控，促使纳米析出相在界面处沉淀，进一步降低了界面电阻并改善了复合材料的力学性能。这项工作为高性能电接触材料的补强材料选择以及制造工艺优化提供了参考价值。

作者简介

谢国强，哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授、博士生导师。主要从事先端材料（金属玻璃·高熵合金及其复合材料、生物医用金属材料、多孔材料等）的开发和应用研究，粉末冶金工艺研究，核材料研制、辐照损伤，以及材料表面改性等研究。在金属材料学、粉末冶金、材料辐照损伤等领域做出了多项原创性研究成果。作为项目负责人主持科研项目30余项，作为主要骨干成员参与重大科研项目15项。在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Small、Journal of Materials Science & Technology等学术刊物上发表论文400多篇，其中300多篇为SCI收录论文。由Springer等世界著名的学术出版公司出版的合著专著15部（英文12部，日文3部)，申请发明专利23项，获科研成果奖励12项。

来源：JMST。