氩气雾化制备Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的显微组织及性能

文靖瑜，刘祖铭，麻梦梅，吕学谦

氩气雾化制备Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的显微组织及性能

文靖瑜，刘祖铭，麻梦梅，吕学谦

(中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)

采用氩气雾化制备Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末，对粉末的粒径分布、氧含量、松装密度、流动性、形貌、物相组成和显微组织等进行表征。结果表明，Cu-3Ag-0.5Zr合金雾化粉末球形度较高，粒径呈正态分布，90%(体积分数)的粉末粒径小于200 μm，中位径v(50)约为49.9 μm。小于50 μm，50~106 μm以及大于106 μm这3个粒级的粉末氧含量(质量分数)分别为0.067%，0.039%和0.013%，松装密度分别为4.39，4.95和5.02 g/cm3，粉末流动性分别为16.59，15.96和15.62 s/50 g。粉末组织细小均匀，平均晶粒尺寸为3.82 μm。大粒径粉末为树枝晶组织，小粒径粉末为等轴晶组织，没有观察到明显的Ag或Zr等第二相析出，形成了成分均匀的过饱和固溶体。

氩气雾化；Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末；粉末粒度；表面形貌；显微组织

Cu-Ag-Zr合金具有良好的导电导热性能、较高的强度和疲劳性能，在电子电讯、交通以及航空航天等领域具有广泛的应用前景[1]，美国NANS研制的NARloy-Z已用作航天发动机燃烧室结构材料[2]。铜合金的强度与电导率是相对矛盾的，实现高强度与高导电性能的结合是发展高性能Cu-Ag-Zr合金面临的挑战，国内外开展了许多研究。LYUBIMOVA等[3]通过对Cu-Ag-Zr合金进行大塑性变形与热处理来提高材料的力学性能，抗拉强度达到1 200 MPa。BITTNER等[4]采用熔炼铸造法制备的Cu-7Ag-0.05Zr合金，在Ar气氛中850 ℃/5 h均匀化处理，再经750 ℃热轧和Ar气氛中400 ℃/18 h热处理后，抗拉强度达到1 000 MPa，电导率为70%IACS。宋练鹏等[5]采用熔炼+铸造+热轧+冷轧+热处理工艺制备的Cu-3Ag-0.2Zr合

金，抗拉强度达到314 MPa，电导率为87%IACS。徐然­­等[6]采用熔炼铸造法制备的Cu-3Ag-0.5Zr合金，经940 ℃固溶处理+80%冷变形+450 ℃/8 h时效处理，获得492 MPa的抗拉强度及10.4%的伸长率。徐玉松等[7]采用真空感应炉熔炼制得Cu-3Ag-0.5Zr合金，经920 ℃/40 min固溶处理+30%冷变形+420 ℃/3 h时效空冷处理，抗拉强度为430 MPa，电导率达到89% IACS。马行驰等[8]通过熔炼铸造制备的Cu-0.1Ag-0.18 Zr合金，经940 ℃/1 h固溶处理+60%冷变形+480 ℃/ 1 h时效处理，电导率为85%IACS。近年来，粉末冶金法制备高性能Cu-Ag-Zr合金受到关注。CODDET等[9]采用真空等离子喷涂法制备NARloy-Z合金，抗拉强度达到600 MPa。麻梦梅等[10−11]采用雾化粉末快速成形工艺制备了成分均匀、晶粒细小，第二相均匀分布的Cu-3Ag-0.5Zr合金。蔡宏中等[12]采用超音速气雾化法制备了CuAg10合金粉末，平均粒径为44 μm，其组织为二次枝晶臂间距很小的枝晶。祝溪明等[13]采用液相还原法制备球形纳米晶Cu-Ag合金粉末，平均粒度为75 nm。本文作者为了获得成分均匀、晶粒细小、高度固溶的过饱和固溶体粉末，采用氩气雾化法制备Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末，对粉末的特性、形貌、物相和显微组织等进行表征，对于高性能粉末冶金Cu-Ag-Zr合金的制备具有重要意义。

1 实验

1.1 Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末制备

实验用原料为纯金属铜(纯度≥99.995%)、银(≥ 99.95%)和锆(≥99.2%)块体。按照Cu-3Ag-0.5Zr合金的名义成分(质量分数，%)配料，然后在英国PSI紧耦合气雾化炉内进行真空感应熔炼和Ar气雾化，制得Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末。雾化温度为1 350 ℃，雾化压力为3.5 MPa，喷嘴直径为2.5 mm。为了研究不同粒径粉末的性能、形貌和组织，采用300目和140目Taylor标准筛网对合金粉末进行筛分，得到粒径＜50 μm、50~106 μm以及＞106 μm的粉末。

1.2 分析测试

利用IRIS Advantage 1000等离子体发射光谱仪(ICP)测定Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的实际成分。用TCH600氧氮氢测定仪测定粉末的氧含量(质量分数)。用Malvern Mastersizer 3000激光粒度分析仪分析粉末的粒度分布。用JF-02霍尔流速计/松装密度仪测定粉末的流动性和松装密度。用D/max2550 X射线衍射仪(XRD)对粉末进行物相分析。用Quanta 250 FEG扫描电镜观察粉末的形貌及显微组织。

2 结果与讨论

2.1 粒径分布

图1所示为Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的粒径分布。从图中看出，粉末的粒径呈正态分布。90%(体积分数)的粉末粒径小于200 μm，在100 μm以下粒度的粉末占58%。合金粉末的中位径v(50)为49.9 μm，接近粒径分布曲线的最高值对应的粉末粒径，v(10)为12.6 μm，v(90)为142 μm。

图1 Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的粒径分布

2.2 成分、氧含量、松装密度和流动性

用等离子体发射光谱仪测得粉末的成分为Cu- 3.08Ag-0.32Zr，与名义成分Cu-3Ag-0.5Zr相比，Zr含量降低0.18%。表1所列为不同粒度的Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的氧含量、松装密度和流动性。从表1可知，氩气雾化制备的Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末氧含量较低。不同粒径的粉末，其氧含量有较明显的差别，这是因为粉末的粒径越小，比表面积越大，粉末越容易吸附氧，粉末的氧含量越高；反之，随粉末粒径增大，氧含量降低。

从表1还看出，不同粒径的粉末，其松装密度与流动性也明显不同。粒径小于50 μm的细粉末松装密度为4.39 g/cm3，流动性为16.59 s/50 g；粒径为50~ 106 μm的粉末松装密度为4.95 g/cm3，流动性为15.96 s/50 g；粒径大于106 μm的粉末的松装密度增加至5.02 g/cm3，粉末的流动性降低至15.62 s/50 g，随粉末粒径增加，松装密度增大。这是因为小粒径的粉末颗粒与颗粒之间的间隙较小，但颗粒间容易粘附和搭桥，导致松装密度较小，也使得粉末移动受到阻碍，并且粉末颗粒表面易吸附水分和气体，导致粉末的流动性较差。随粉末粒径增大，颗粒与颗粒之间的间隙虽然增大，但粘附与搭桥现象减少，单位体积内的粉末间隙所占的体积减小，所以松装密度增大。

表1 Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的氧含量、松装密度和流动性

2.3 物相组成

图2所示为Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的XRD谱。由图2(a)可见不同粒度的粉末都只有单一的面心立方Cu相的特征峰，没有出现其它物相的衍射峰，表明所有Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的相组成相同。将图2(a)中的(111)晶面衍射峰放大，如图2(b)所示，可见随粉末粒径减小，衍射峰向小角度偏移和宽化。在Cu-3Ag- 0.5Zr合金雾化过程中，合金熔体快速凝固，抑制了Ag和Zr及其化合物的析出，形成Ag和Zr高度固溶的过饱和固溶体。粉末粒径越小，冷却速度越大，过饱和度增加，晶格畸变越严重，所以Cu的衍射峰向小角度偏移且宽化。

2.4 形貌

图3所示为Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的显微形貌。从图3(a)看出，粉末主要为球形，粒度较均匀。在高速雾化气流的作用下，金属液流受到冲击而破碎成细小的熔滴，在表面张力的作用下产生球化，所以颗粒具有较高的球形度。从图3(b)、(c)和(d)可见，粒径大于106 μm的粉末，其表面呈明显的树枝晶组织，部分大颗粒表面伴有少量卫星颗粒；粒径介于50~106 μm之间的粉末，球形度较好，表面呈树枝晶和等轴晶组织；粒径小于50 μm的粉末表面光滑，具有短棒状树枝晶组织，表面无卫星粉末。粒度＞106 μm和50~106 μm的粉末，是由尺寸和体积较大的金属液滴凝固收缩而形成的颗粒，表面留下凹凸不平的凝固收缩的痕迹。随液滴尺寸增大，冷却速度减慢，使得等轴晶有足够的时间长大，逐渐形成树枝晶组织。粒径小于50 μm的粉末，是由尺寸和体积较小的金属液滴形成，其冷却速率高，晶体长大受到限制，因而颗粒表面光滑。

图2 Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的XRD谱

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

2.5 显微组织

图4所示为Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的显微组织与能谱分析线扫描结果。由图4(a)可见粒径大于106 μm的粉末为快速凝固形成的树枝晶结构，晶粒均匀，粉末颗粒边缘和中心的组织没有明显区别，平均晶粒尺寸约为4.01 μm。图4(b)显示粒径为50~106 μm粉末的平均晶粒尺寸为3.96 μm，与粒径大于106 μm的粉末相比，晶粒稍有细化，但晶粒的形状变得不规则。粒径小于50 μm粉末的平均晶粒尺寸为3.82 μm，出现了棒状晶粒(见图4(c)所示)。从图4(d)可看出，所有元素都分布均匀。由图4可知雾化粉末内部结构致密，晶粒细小、均匀，没有观察到明显的第二相，结合图2物相分析结果得知，采用氩气雾化制备的铜合金粉末形成了成分均匀的过饱和固溶体。粉末粒径越小，晶粒尺寸越小。Cu-3Ag-0.5Zr合金铸态组织晶粒尺寸约为60~80 μm[14]，可见采用氩气雾化可明显细化合金的显微组织。

图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

图4 Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末的显微组织和线扫分析

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

3 结论

1) 采用氩气雾化法制备的Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末， 90%的粉末粒径小于200 μm，中位径v(50)约为49.9 μm。大粒径粉末颗粒表面为树枝晶组织，伴有少量的卫星颗粒，小粒径粉末表面光滑，呈等轴晶组织。

2) 氩气雾化制备的Cu-3Ag-0.5Zr合金粉末组织细小均匀，平均晶粒尺寸为3.82 μm。在晶粒内部以及晶界处没有观察到明显的Ag或Zr等第二相析出，形成了成分均匀的过饱和固溶体。

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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

国家863计划资助项目(2009AA03Z526)；国家重点研发计划资助项目(2016YFB0301300)；中南大学创新驱动计划资助项目(2015CX004)

2018−06−29；

2018−07−26

刘祖铭，博士，教授。电话：0731-88836355；E-mail: lzm@csu.edu.cn

(编辑 汤金芝)