一種具有超高導電和超高強度的新型Cu-Ti（鈦青銅）合金組織

一、?【導讀】

高強度、高導電性的彈性材料在電池端子、天線端子、SIM卡連接及連接器等方面有著重要的應用。Cu-Be合金作為一種傳統的高彈性合金，具有高強度、高導電性等特性，但對人類健康有害，對環境污染嚴重，因此有必要研究可替代的環保銅合金。Cu-Ti合金以其優異的強度、高彈性和良好的環保性而受到研究者的廣泛關注。然而，由于鈦原子摻入到銅基體中，Cu-Ti合金表現出非常低的導電性。因此，在保持Cu-Ti合金強度和彈性性能的同時，提高其導電性是至關重要的。

以電導率(≥20%IACS)和強度(HV硬度≥360)作為Cu-Ti合金的理想標準。時效后，Cu-3Ti-2Sn和Cu-2Ti-2Sn的電導率均高于33%IACS，但強度在134.5 HV和119.3 HV時仍較低[7-8]，遠低于360 HV的要求。Cu-3Ti-5Ni經固溶時效后電導率為30% IACS，但硬度較低，硬度接近210 HV。Cu-Ti-Al的硬度和電導率大多較低。目前，Cu-Ti由日本Dowa Metaltech和JX Metal Co. LTD.共同研發。C1990和NKT322、NKT180合金實現了Ti-Cu含量為2.9 ~ 3.5%，抗拉強度為970 ~ 1100mpa，硬度為310 ~ 360 HV，延伸率為6.0 ~ 7.7%，電導率為10.0 ~ 11.8% IACS的生產。盡管強度已接近上述要求，但電導率仍極低。因此，在保持高強度的同時提高Cu-Ti合金的導電性是本文研究的重點。

二、【成果掠影】

近期，臺州學院、浙江省工量刃具檢測及深加工重點實驗室的付亞波、大連理工大學的接金川教授等人，通過通過經過分級的兩步冷軋和時效工藝，形成一種具有超高導電性、強度和彈性的新型銅鈦合金微結構。為制備具有卓越電導率和高強度的Cu-Ti合金提供一種創新方法。研究了4種Cu-Ti合金，結果發現：

(1) 采用分級兩步變形和熱處理的方法，創造出一種新型微結構，即納米孿晶結構，間距為3.2 nm，以及75-110 nm的沉淀相。納米孿晶結構有助于合金的極強強度和導電性。特別是Cu-2Ti合金具有25.23±0.09%IACS 的超高電導率。這歸因于Cu₄Ti沉淀相的受控間距保持在75-110納米，以及66813 cm2/(V*s)的高載流子遷移率。

(3) Cu-2Ti合金表現出1022±87.49 MPa的極高拉伸強度和356.24±29.70 MPa的硬度。通過沉淀納米尺度Cu₄Ti，可以進一步增強合金的強度，從而獲得8.15×10¹⁴/m²的最高平均幾何位錯密度和91.2%的最低角邊界。

(3) Cu-2Ti合金具有很高的彈性，其彈性比功是傳統彈性合金Cu-2Be的7倍。這是通過分級變形和時效以及添加2%的Ti實現的。總的來說，兩階段冷軋和時效方法提供了一種新型的微觀結構，以解決Cu-Ti合金的強度和導電性互為反比的問題，從而使合金具有卓越的性能。

研究結果于2024.2.12發表在《Journal of Materials Engineering and Performance》上，https://doi.org/10.1007/s11665-024-09252-6

三、【核心創新點】

1.這種納米孿晶結構有助于合金具有極強的強度和導電性。特別是，Cu-2Ti合金具有23±0.09%的超高電導率IACS。這歸因于Cu4Ti沉淀相的受控間距，保持在75-110納米，以及高載流子遷移率66813 cm2/(V*s)。

2.Cu-2Ti合金顯示出1022±49 MPa的極強抗拉強度和356.24±29.70 MPa的硬度。通過在納米尺度上沉淀Cu4Ti，可以進一步增強合金的強度，從而獲得最高的平均幾何位錯密度8.05×1014/m2和最低的角形晶界92.2%。

3.Cu-2Ti合金具有很高的彈性，其彈性特有功是傳統彈性合金Cu-2Be的7倍。這是通過分級變形和老化以及添加2%的Ti實現的。

四、【數據概覽】

圖5 Cu-2Ti的EBSD圖像。(a)孿晶界(紅線表示孿晶界為1.66%)，(b) Y0的逆極圖(IPF)，(c)(e)平均8.05 × 10¹⁴/m2的幾何位錯密度(GND)，(d) (f)低角度晶界(LAGBs <10°)和高角度晶界(HAGBs>10°)的晶粒取向擴展(GOS)，其中LAGBs最大。?

圖8狀態密度模擬曲線。(a)四個樣品的總電子態密度，(b)費米表面的態密度

圖9具有高強度、高導電性和高彈性的新型微觀結構

五、【成果啟示】

兩階段冷軋和時效方法提供了一種新穎的微觀結構，以解決Cu-Ti合金的強度和導電性互為矛盾的問題，從而使合金具有卓越的性能得以發展。