预时效对高载热中子靶用CuCrZr合金导热与力学性能影响研究

李 晨，黄 波，信敬平，杨 琪，宋 勇，周 涛，凤麟核团队

（1. 中国科学院合肥物质科学研究院，合肥 230031；2. 中国科学技术大学，合肥 230026；3. 中子科学研究院（重庆）有限公司，重庆 401331；4. 中子科学国际研究院，青岛 266199）

强流氘氚中子源是一种高流强中子的发生装置，广泛用于聚变反应堆材料辐照实验、反应堆相关参数测量、辐射放疗等多个领域，并已取得诸多重要成果［1-5］。中子靶是强流氘氚中子源的关键部件，工作过程中靶面将受到高能束流轰击，承受很高的热载荷，若不能及时将热量导出，靶面温度过高时，靶膜中的氚就会大量释放，从而极大地降低中子产额，这就要求靶基底材料具有良好的导热性能［6］。同时，强流氘氚中子源的中子靶往往采用高速旋转的方式来降低靶面的平均热载［7］，对中子靶基底材料的力学性能也提出了较高的要求。

CuCrZr合金具有良好的导热性能及力学性能，被认为是最优异、最有发展前景的高强高导铜合金之一［8-10］，常作为中子靶散热基底的首选材料。如图1所示，中子靶CuCrZr基底内部具有复杂的内部冷却流道，一般采用热等静压（Heat Isostatic Pressing，HIP）扩散焊接进行部件制备，焊接处理后CuCrZr合金一般处于固溶态［11-13］。靶基底制备后需要长时间在500℃以上的高温环境下进行氚吸附处理［14-16］，这将对CuCrZr合金产生高温时效作用，引起材料组织和性能的变化。针对高温时效对CuCrZr合金性能的影响，许多学者对此进行了研究，均表明长时间高温时效将导致CuCrZr合金的力学性能下降，而且高温时效下其导热性能也可能下降，这将对中子靶的散热性能和机械强度等造成较大影响［17-19］。

图1 旋转靶散热基底结构示意图Fig.1 The schematic diagram of structure diagram of rotating target cooling base

根据热处理的遗传性特点，通过对合金进行预时效处理，即先进行相对低温的时效处理，可以降低长时间高温服役环境对材料综合性能的不利影响。大量研究表明，预时效处理对很多合金材料的综合性能有着积极影响，在铝合金、镁合金等领域已有十分成熟的应用［20-22］，但预时效对CuCrZr合金性能影响的研究相对较少。

本文通过分析中子靶制备过程中高温时效及预时效状态下CuCrZr合金的微观组织、力学性能及导热性能，重点研究预时效对提高CuCrZr合金在高温环境下性能稳定性的效果及机制，为提高CuCrZr合金的综合性能提供依据，进而提高中子靶的散热基底散热性能和力学性能，以提升强流中子源的可靠性与使用寿命。

1 实验方法

1.1 实验材料

实验选用CuCrZr合金牌号为C18100，化学成分如表1所示。实验样品设定为圆片状，根据旋转靶冷却流道层的铬锆铜设计参数选定样品厚度为2 mm，根据导热性能和力学性能等测试的仪器要求确定样品直径为10 mm。

表1 C18100 CuCrZr合金成分表Table 1 Composition of C18100 CuCrZr

1.2 热处理工艺

为了方便后续分析，将样品编号分为ABCD四组。四组样品均先进行固溶处理（960℃保温5h后炉冷至室温），用于模拟热等静压焊接的工艺环境，然后分别进行不同的热处理。A组为固溶态；B组进行预时效处理（450℃保温4 h后炉冷）；C组进行高温时效处理（550℃保温24 h后炉冷），用于模拟中子靶吸氚的工艺环境；D组进行预时效加高温时效处理（450℃保温4 h后炉冷至室温，再在550℃保温24 h后炉冷），相关的热处理工艺参数如表2所示。

1.3 性能及微观组织测试方法

1.3.1 导热性能测试

材料导热性能通过导热系数进行表征，根据闪射法原理使用LFA 467闪射法导热仪开展导热系数测试，如图2所示，在室温条件下，由激光脉冲源在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品前端面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高。使用红外检测器连续测量背面中心部位的相应温升过程，得到试样上表面温度升高到最大值TM的一半时所需要的时间t1/2（半升温时间），根据Fourier传热方程计算出热扩散率α（T）［23］：

图2 闪射法导热仪测量原理图Fig.2 The schematic diagram of the laser thermal conductivity meter

式中，L为样品厚度，单位是m。

材料的导热系数λ（T）可表示为：

式中，ρ（T）为材料密度，单位是kg/m3；C（T）为材料比热容，单位是J/（kg·K）。

每个样品随机取3个点测量导热系数，计算不同点位测量结果的平均值作为该组样品的导热系数结果。

1.3.2 力学性能测试

力学性能通过显微硬度来体现，显微硬度测量采用TMVS-1数显显微硬度仪，根据CuCrZr原材料的基本力学性能，实验人员设置加载载荷为100 g，加载时间为10 s，每个样品随机取5个点测量维氏硬度，计算不同点位测量结果的平均值作为该组样品的维氏硬度的测量结果。

1.3.3 微观组织观测

为了表征样品的微观结构，实验人员在使用FeCl2腐蚀样品后，用金相显微镜（Axio Observer Z1，Zeiss）进行样品金相组织分析；用热场发射扫描电镜（SEM，Apreo，FEI）进行微观表面形貌表征及EDS能谱分析，评估热处理后的微观结构与成分变化；此外，实验人员利用X射线衍射仪（XRD，X’Pert PRO，帕纳科）进行相结构表征。

2 实验结果

2.1 不同热处理态CuCrZr的显微组织表征结果

四组样品的金相表征结果如图3所示，图3（a）显示固溶态材料晶粒较小、晶界间有较大的析出颗粒，晶粒内也分布有少量的颗粒状析出相；图3（b）显示固溶态材料预时效450℃保温4 h处理后，材料晶粒略微长大，有很多纳米级的细小析出相分散在材料内部；图3（c）显示固溶态材料在550℃保温24 h后，材料晶粒增大、析出物聚集长大；图3（d）显示固溶态材料在预时效+高温时处后，相比于高温时效态材料晶粒长大程度较低，材料表面析出颗粒聚集粗化程度降低。

图3 四组样品的金相组织：（a） A组，（b） B组，（c） C组，（d） D组Fig.3 Metallography of four groups of heat-treated materials：（a） Group A，（b） Group B，（c） Group C，（d） group D

如图4所示，A组（固溶态）样品析出相的形状为四边形或不规则形状，析出相颗粒较大；B组的析出相为球状，球状的析出相对合金的性能具有积极影响［24］，且析出相细小而分布均匀；C组的析出相相较于B、D两组都较为粗大，分布不均，说明高温时效会促使析出相的聚集，而粗大的析出相容易对材料的力学性能造成不利影响［25］；D组的析出相明显比C组更为细小分散，表明预时效处理可以有效抑制后期长时间高温热处理所产生的析出相聚集。

图4 四组热处理材料微观形貌及能谱分析图Fig.4 Microstructure and EDS analysis of four groups of materials

图5给出了材料XRD的表征结果，在图5中可以明显看到的相结构为α-Cu相，没有看到Cr和Zr相关相的衍射峰，这是由于Cr和Zr在样品中含量太少，一般含量低于5 wt%难以出现衍射峰［26］，但是通过对最强峰使用高斯函数进行拟合后，可以看出经过预时效、高温时效处理后样品的半高宽要小于固溶态样品的半高宽，说明预时效、高温时效处理后样品的晶格畸变程度减小，说明溶质原子已从基体内部析出。结合图4的EDS能谱图，富Cr区的Cu和Zr的含量极少，尤其是富Cr区在Cu元素的面扫描图谱中的对应位置呈现明显贫Cu和贫Zr，Cr和Cu无法形成化合物相，因此Cr元素主要以Cr单质形式存在；在富Zr区域，Cu含量同样很高，且Zr和Cu可形成多种金属间化合物，如Cu8Zr3、CuZr2等，且Zr在材料中含量很低，所以可以确定析出相主要为Cr相和少量的Cu-Zr化合物（如Cu8Zr3、CuZr2等）［24］。

图5 四组样品的XRD谱图（左）和最强峰半高宽图（右）Fig.5 XRD patterns（left） and FWHM of strongest peak （right） of the four groups of samples

2.2 不同热处理态CuCrZr导热性能和力学性能测试结果

图6给出不同热处理态CuCrZr合金的热导率和硬度，B组样品（预时效态）硬度最高58.7 HV，并且导热率为305.18 W·（m·K）-1，明显高于A组，这说明预时效可以很好地强化CuCrZr合金的综合性能。C组（高温时效态）样品的硬度最低51.26 HV，但热导率最高达337.51 W·（m·K）-1，这说明长时间高温时效会大幅削弱CuCrZr合金的硬度，但是有利于提升导热性能。 D组样品硬度达56.02 HV，导热系数达330.95 W·（m·K）-1，相比C组样品导热率相当，硬度得到了改善，这说明预时效可以减弱高温时效对材料力学性能带来的不利影响，使得旋转靶同时获得良好的力学性能和传热性能，以承受更强的高转速和热载荷，有利于提高旋转靶的性能指标和使用寿命。

图6 硬度对比图和导热率参数对比图Fig.6 Comparison of hardness and thermal conductivity parameters

3 分析与讨论

3.1 预时效对CuCrZr合金性能的影响及机理

通过B组的实验结果可知，预时效能够明显地强化CuCrZr合金的综合性能，其原因在于，相对低温的预时效过程，在微观组织观测结果中可以看出，促使细小弥散的强化相可以在较短的时间内大量析出，细小的析出相产生沉淀强化作用，使得合金的显微硬度迅速增大［27］，与B组同理，预时效处理后Cr相和Cu-Zr化合物相的析出，降低了对声子的散射，导热率升高［28-30］。

3.2 吸氚工艺的热环境对CuCrZr合金性能的影响及机理

通过C组的实验结果，可以看出，550 ℃保温24 h的吸氚工艺热环境会对CuCrZr合金的性能产生较大的影响，具体原因如图4中C组样品的微观组织观测所示，长时间的高温时效使得Cr相和Cu-Zr化合物相在铜基体中的扩散速度较快，在短时间内大量析出并聚集长大［21］，虽然第二相的快速且充分地析出大幅减小了铜晶格的畸变程度，降低了声子的散射，使得材料的导热性能得到明显的提高，但第二相在析出后的聚集形成了粗大的析出相，这对CuCrZr合金的力学性能会产生不利影响。

3.3 预时效对CuCrZr合金性能稳定性的影响及机理

通过对比C、D两组结果可知，同样是经过高温热处理，预时效处理过的D组样品并没有因为高温时效而大幅削弱力学性能，因为在相对低温的预时效过程中，固溶体饱和度增加，析出物晶核增多，可以获得弥散度较大且稳定的第二相，使得样品在后续高温时效过程中具有更多的形核核心，降低了第二相的长大程度，硬度没有大幅降低，且在高温时效的过程中第二相析出更为充分，铜晶格畸变减小，提高材料的导热性能的同时保证其具有良好的硬度，所以预时效能提高材料性能的稳定性，削弱高温时效为材料带来的不利影响，使得旋转靶能够承受更高的旋转应力和热应力等载荷，提高了旋转靶的可靠性及安全性。

4 结论

本文主要研究了预时效对提高CuCrZr合金高温环境下微观组织和性能稳定性的作用，并重点分析讨论了预时效对铬锆铜长期高温服役的影响和机理。得到以下结论：

（1） 450℃保温4 h的预时效可以使细小弥散的球状强化相在较短时间内大量析出，细小的球状析出相具有强的沉淀强化作用，材料硬度提高；同时，形成了大量细小沉淀物，使铜晶格的畸变减小，降低了对声子的散射，从而提高了材料的导热率。

（2） 550℃保温24 h的高温时效后，会使CuCrZr合金内部晶粒长大，并形成粗大的富Cr相和Cu-Zr金属间化合物，相比固溶态合金，材料硬度降低，导热性能提升，说明吸氚工艺的热环境一定程度上可以提升材料的导热性能，但会导致力学性能明显下降。

（3）相比于单段时效，先进行450℃保温4 h的预时效可以形成弥散且稳定的第二相核心，在后续550℃保温24 h的吸氚过程中，即便材料长时间处于高温环境，材料内部仍能保持稳定的细小球状析出相形态和分散的析出相分布，降低了长时高温环境对样品力学性能的不利影响，同时高温时效使固溶体析出更充分，进一步提高了导热性能，进而提高了中子靶基底的综合性能，使得旋转靶能够承受更高的旋转应力和热应力等载荷，为中子靶的设计与制备提供了优化思路。

致谢

本工作得到了凤麟核团队其他成员的支持，以及得到了国家重点研发计划2020YFB1901901、中国科学院A类战略性先导科技专项XDA22010504和重庆市杰出青年科学基金CSTB2023NSCQJQX0010的资助，在此表示感谢。