【2017年整理】正文模板--面上项目-7.doc

（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）： 1．项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）； （1）研究的意义 铜铬锆系合金（Cu-Cr-Zr）是一类具有优良的力学性能和导电性能的结构功能材料[1-3]。该类合金通常含有Cr 0.25％～1.2％(质量分数)、 Zr0.088％～0.20％,经过适当的形变及热处理，其抗拉强度可达600MPa以上，同时还能保证80％IACS以上的导电率[4]，较好地解决了材料强度和导电性之间的矛盾关系。目前Cu-Cr-Zr合金在集成电路引线框架，大功率牵引电机转子，连铸结晶、电气化铁路接触导线等高强高导领域得到了越来越广泛的应用[7]。 由于合金元素Cr和Zr在熔炼过程中极易氧化烧损[8,9]，因此真空熔铸[10,11]是Cu-Cr-Zr系合金普遍采用的制备工艺。但是真空熔铸的工艺复杂、成本较高，不易实现规模化生产。因此摆脱真空熔炼，实现非真空环境下的熔炼和浇注，同时减少合金元素的氧化烧损是近年来该领域的研究热点[8,9,12-16]。特别是在我国，随着我国高速电气化铁路、电子工业等行业的迅速发展，对Cu-Cr-Zr合金的需求越来越大。研发Cu-Cr-Zr合金生产工艺，特别是规模化的连续工艺[12]成为国内相关企业和科研人员关注的焦点。 然而，近年来的研究和生产实践表明非真空环境下Cu-Cr-Zr合金的熔铸具有很大的挑战性。难点首先在于如何防止熔体的氧化，这方面国内外已有大量的研究工作。通过选择合适的保护性气氛、炉衬材料、覆盖剂，并采取适当的脱氧处理及中间合金的加入方式以可以提高合金元素的收得率。通过以上措施能够使铬收得率达到 80％-95％，锆收得率达到 50％-80％[12-14]。其次，除了易于氧化烧损，Cu-Cr-Zr系合金在熔铸过程中还存在熔体易于吸气，凝固过程中易于产生气孔、缩孔等铸造缺陷的问题[9,12,16]。非真空熔炼的Cu-Cr-Zr铸锭的内部气孔缺陷常呈现圆形或椭圆形,内壁光滑,或滞留在晶粒内部,或伴随着晶粒长大过程被驱赶到晶界处[16]。气孔缺陷相当于减少了材料的横截面积，会导致力学电学性能大幅降低[16]。从目前的生产实践来看，非真空环境下，特别是大气环境下的Cu-Cr-Zr合金熔铸工艺稳定性差，仍然面临着氧化和吸气严重，以及由此引起的夹渣和气孔等铸造缺陷问题[]。 （2） 国内外研究现状及发展动态分析 铜合金中的氧化和吸气过程存在此消彼长、互相制约的平衡关系[17-21]。氧化是指铜液与铸造环境中的氧反应生成氧化亚铜：4Cu+O2—2Cu20；而吸气主要是指铸造环境中的水汽与铜液发生反应：2Cu+H2O--Cu20+H2，如果不考虑铜元素，此反应相当于水汽分解：H20—2H+O，并以原子态的氢和氧的形式溶解于铜液中[17]。当熔炼温度以及水汽分压Ph20恒定时，熔体中的氢溶解度[H]和氧溶解度[0]有如下平衡关系： [H]2?[0] =常数/PH2O。 因此熔体中氧溶解度增加，则氢溶解度降低；反之亦然。在后续的凝固过程中H与O结合成为水汽，成为铸锭内的气孔缺陷主要来源。 利用这一关系，生产中经常采用氧化除气法，提高炉体内的氧气分压的办法降低熔体中的氢含量。但是对于Cu-Cr-Zr合金，这一办法显然不妥。对Cu-Cr-Zr系合金非真空熔炼过程进行热力学分析表明，Zr与氧的亲和力非常强，极易氧化生成Zr02 ；铬的氧化性次之，生成物主要为Cr203 [20]，这些氧化物成为夹杂的主要来源。同时，因为与氧亲和力大的元素会造成熔体中氧含量的大量增加[21]，从而恶化合金的工艺性和导电性。因此在非真空熔炼Cu-Cr-Zr 时，首先需要对铜液进行脱氧处理，再添加 Cr、Zr 等易氧化元素。然而过度的除氧，如前所述又可能增加熔体中的氢含量，增加气孔缺陷。 同时，Cu-Cr-Zr合金熔体易于吸气。 对于Cu-Cr二元合金的气孔率预测模型，表明随着Cr含量的增加，氢在固液两相中的溶解度差越来越大，进而增加气孔率[22]。而Zr更是常见储氢材料，在一个氢气分压下，其氢溶解度是纯铜的数万倍[23]。作为强烈吸氢元素，Zr可能会极大的增加熔体的吸气量，增加铸锭的气孔缺陷，但是这一点在以往的研究中并没有得到重视。 上述分析表明铜合金中的Cr和Zr既易于氧化增加熔体氧含量，又会促进熔体吸氢，所以Cu-Cr-Zr熔体中的氢、氧溶解度均大于纯铜；另一方面，由于铜合金中的氧化和吸气过程又存在此消彼长、互相制约的平衡关系。这使得Cu-Cr-Zr合金的脱氧和除气工艺变得异常复杂，生产实践中经常会出现脱氧和除气无法兼顾的情况，这也是目前Cu-Cr-Zr