中南大学《Mater Charact》：通过高通量扩散多元节方法加速Cu-Ti合金的设计

导读：该工作构建了以Cu-Ti合金为中心的3×3扩散多元节体系，通过将高通量实验与多尺度表征技术相结合，在单一试样中同步构建了80 个成分点的铜合金数据库(含扩散态和时效态)，为高性能铜合金的加速开发提供了新的实验范式。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matchar.2026.117073

【背景】

随着新一代电子技术、航空航天及先进制造业的飞速发展，核心部件如高频连接器、引线框架及微型继电器等，对关键导电材料提出了越来越严苛的综合性能指标，市场对兼具超高强度与优异导电性能的高性能铜合金的需求日益迫切。超高强 Cu–Ti 合金因其显著的调幅分解特性与β’-Cu4Ti纳米析出强化机制，被视为替代高毒性、高成本 Cu–Be 合金的最具潜力材料。

通过微合金化引入多元合金元素，精细调控调幅分解与β’-Cu4Ti析出相动力学，是抑制胞状析出、进一步提升合金力学性能的核心途径。不同合金元素可通过改变析出相的尺寸、分布、体积分数以及与基体的界面关系，进而影响合金的强化效果。但庞大的成分空间使得传统的“试错法”研发范式周期漫长、资源消耗巨大。虽然 CALPHAD 热力学计算与第一性原理（DFT）等数值模拟能够提供一定的理论指导，但针对多元高维体系，CALPHAD 严重依赖外推导致可信度受限，而 DFT 则受限于原子时空尺度且计算成本昂贵，均无法满足高效成分筛选的要求。

扩散多元节方法通过热互扩散在块体样品中产生连续成分梯度，可在单次实验中实现多种合金成分的并行研究。将该方法与微区表征技术相结合，能够高效构建包含成分、工艺、性能的铜合金数据库，为数据驱动的合金设计提供高质量实验数据。然而，目前铜合金领域的高通量数据库构建与完善工作仍处于起步阶段，亟需更多系统性实验数据的积累与整合。基于此，本工作构建了以Cu-Ti合金为核心的“九宫格”扩散多元体，探究在同一热处理条件下多种微量合金化元素对Cu-Ti合金力学性能的影响规律，加速高性能铜合金的成分筛选和优选设计。

【图文】

首先，采用大气感应熔炼方式分别制备包含 Cu-Ti 在内的 9 种二元铜合金(Cu-Fe, Cu-Ag, Cu-Mg, Cu-Sn, Cu-Ti, Cu-Mn, Cu-Co, Cu-Zn, Cu-Nb)铸锭。铸锭经950 °C × 4 h均匀化处理后，线切割加工成7 × 7 × 40 mm棒材。将九种合金棒材与纯铜外壳按设计顺序组装，经电子束焊接密封后，在700 °C、200 MPa条件下热等静压4 h，以确保界面冶金结合。组装体经线切割加工成3 × 3网格样品，与钽箔一同密封于充氮石英管中，在700 °C下扩散退火400 h后水淬。随后进行900 °C × 1 h固溶处理和450 °C × 1 h时效处理。最后，利用电子探针显微分析(EPMA)、扫描电镜(SEM)和纳米压痕技术，系统地表征了扩散态及热处理后样品的成分-微观结构-性能关系。

图1 Cu-Ti合金扩散多元节的制备与表征示意图。

图2 A1区域（C1、C2、C4和C5合金互扩散区）扩散多元节EBSD反极图(IPF)图。(a)扩散态；(b)热处理态。

图3在700 °C下退火400小时的扩散偶的背散射电子(BSE)图像及相应的元素分布：(a)C25；(b)C58；(c)C45；(d)C56。

图4经扩散退火后，不同扩散偶在扩散界面处的纳米压痕硬度分布对比图：(a)C25；(b)C58；(c)C45；(d)C56。

图5扩散退火后，扩散偶不同位置的纳米压痕形貌、成分及载荷-位移曲线：(a1-a4)C25；(b1-b4)C58；(c1-c4)C45；(d1-d4)C56。

图6扩散退火后五元扩散多元节的纳米压痕分布：(a)A1区域；(b)A2区域；(c)A3区域；(d)A4区域。

图7扩散退火后五元扩散多元节的纳米压痕表征：(a1-a6)A1区域；(b1-b6)A2区域；(c1-c6)A3区域；(d1-d6)A4区域。

图8热处理后，各扩散偶在扩散界面处的纳米压痕硬度分布对比：(a)C25;(b)C58;(c)C45;(d)C56。

图9热处理后扩散偶不同位置的纳米压痕形貌、成分及载荷-位移曲线：(a1-a4)C25；(b1-b4)C58；(c1-c4)C45；(d1-d4)C56。

图10热处理后五元扩散多元节的纳米压痕分布：(a)A1区域；(b)A2区域；(c)A3区域；(d)A4区域。

图11热处理后五元扩散多元节的纳米压痕表征：(a1-a6)A1区域；(b1-b6)A2区域；(c1-c6)A3区域；(d1-d6)A4区域。

图12 A1区域中Cu-Ti合金的EBSD相图：(a1–a3) 扩散状态和 (b1–b3) 时效状态。

图13从成分库设计到本征性能表征的高通量研究方法示意图。

【结论】

本研究成功应用了一种基于“九宫格”扩散多元体的高通量方法，显著加速了铜合金的成分设计与性能筛选。该方法在单一试样内一次性实现了多种成分（涵盖二元至五元体系）的制备与表征，效率远超传统方法。通过系统研究，明确了固溶和时效热处理对不同铜合金体系（如Cu-Ti合金）性能提升的差异性影响，并筛选出多种高硬度成分组合（Cu-2.50Ti-0.15Ag–0.09Sn、Cu-2.22Ti-0.61Ag-0.14Mn-0.01Mg、Cu-2.29Ti-0.51Zn-0.28Sn和Cu-2.61Ti-0.29Zn-0.18Mn-0.06Nb）。本研究验证了扩散多元节方法在铜合金高通量筛选中的可行性，为高性能铜合金的成分优化与快速筛选提供了高效的数据驱动路径。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文团队支持。

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