学术研究报告：微量Si显著提升Cu-Cr-Zr合金抗蠕变性能的研究

一、作者及发表信息
本研究由Jianping Qu（中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所）、Yu-Ping Xu（通讯作者，同单位）、Jinchuan Jie（共同通讯作者，大连理工大学材料科学与工程学院）等合作完成，发表于Materials Science & Engineering A期刊（2025年，卷939，文章编号148485）。

二、学术背景
本研究属于核聚变材料科学领域，聚焦于聚变反应堆关键部件——偏滤器（divertor）用铜基合金的开发。在ITER（国际热核聚变实验堆）和CFETR（中国聚变工程试验堆）中，偏滤器需承受极高热负荷（>10 MW/m²）和长时间高温服役（450–600°C），而现有商用Cu-Cr-Zr合金在300°C以上因Cr析出相快速粗化导致抗蠕变性能急剧下降。为解决这一问题，团队提出通过添加微量Si（0.05 wt.%）形成稳定的Cr3Si金属间化合物（intermetallic phase）和纳米级Cr析出相（nano-sized Cr precipitates），以提升合金高温抗蠕变性能。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- 合金设计：对比两组合金——Cu-0.8Cr-0.12Zr（CCZ）和Cu-0.8Cr-0.12Zr-0.05Si（CCZS），采用真空感应熔炼（vacuum induction melting）制备铸锭，成分通过ICP-AES（电感耦合等离子体原子发射光谱）验证。
- 加工工艺：热轧（870°C，50%变形）→固溶处理（990°C，4小时）→冷轧（25°C，90%变形）→时效（450°C峰值时效），最终制成2 mm厚板材。

1. 蠕变测试

   • 样品设计：矩形试样（宽7.5 mm，标距51 mm），在机械蠕变试验机上测试，应力范围50–150 MPa，温度450°C和550°C，模拟聚变堆工况。
     
   • 终止条件：若稳态蠕变阶段持续10天未断裂，则终止试验。
     

2. 微观结构分析

   • SEM/TEM表征：使用Zeiss Supra 55 SEM和FEI Tecnai G2 F20 TEM观察蠕变前后析出相演变。
     
   • 样品制备：离子减薄法（ion thinning）制备TEM样品，电压从5 kV降至3.5 kV，角度±8°调整至±3°。
     
   • 特殊技术：通过选区电子衍射（SAED）和EDS（能谱分析）鉴定Cr3Si相，并统计析出相尺寸分布。
     

四、主要结果
1. 蠕变性能提升
- 稳态蠕变速率：CCZS合金在450°C/50 MPa下为1.5×10⁻¹⁰ s⁻¹，较CCZ合金（2.7×10⁻¹⁰ s⁻¹）降低44%；550°C时，CCZS的蠕变寿命延长至300小时（CCZ仅100小时）。
- 应力指数分析：CCZ合金在450°C的蠕变机制为晶界滑移（grain boundary sliding，n=2.5），而CCZS转变为扩散蠕变（diffusion creep，n=0.87），表明Si添加抑制了晶界迁移。

1. 微观机制解析

   • 析出相稳定性：CCZS合金中Cr析出相平均尺寸在450°C蠕变后仅增长至6 nm（CCZ为7 nm），550°C时为10 nm（CCZ达20 nm），Si通过界面富集抑制粗化。
     
   • Cr3Si相作用：尺寸约350 nm的Cr3Si相（图2c SAED验证）具有高熔点，与Cu基体形成共格界面（图8g HRTEM），有效钉扎位错和晶界。
     
   • 无析出带（PFZ）抑制：CCZ合金晶界处出现PFZ（析出相贫化区），而CCZS因均匀析出相分布避免了局部应力集中。
     

2. 断裂机制

   • CCZ合金在550°C/150 MPa下出现沿晶裂纹和蠕变孔洞（图9f），而CCZS合金孔洞尺寸更小且分布均匀（图10f），归因于Cr3Si相和细晶Cr析出相的协同作用。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：揭示了Si通过形成Cr3Si相和稳定纳米Cr析出相的双重机制提升抗蠕变性能，为设计聚变堆用高性能铜合金提供理论依据。
2. 应用价值：CCZS合金在550°C下蠕变速率低至10⁻⁹ s⁻¹，优于同类材料（如Cu-Ni-Be和Cu-Al₂O₃），适合CFETR偏滤器结构材料。

六、研究亮点
1. 创新发现：首次报道微量Si（0.05 wt.%）对Cu-Cr-Zr合金高温蠕变的显著改善效应，突破传统合金温度限制。
2. 方法创新：结合原位TEM与蠕变应力指数分析，明确Si对蠕变机制的调控作用。
3. 工程意义：解决了聚变堆材料在高温高应力下的长期稳定性问题，推动DEMO和CFETR工程进展。

七、其他价值
研究数据表明，CCZS合金的热导率（≥300 W·m⁻¹·K⁻¹）显著优于Cu-Ni-Be合金（200 W·m⁻¹·K⁻¹），且避免了Nb元素的中子活化问题，具有更优的综合性能。