Effects of Grain Boundary Engineering on Conductivity and Thermal Stability of Microalloyed Pure Copper

LIANG Shijun; LIU Haitao; ZHANG Yanmin; SONG Kexing; GUO Huiwen; GUO Yin'gang

doi:10.15980/j.tzzz.20240121

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Effects of Grain Boundary Engineering on Conductivity and Thermal Stability of Microalloyed Pure Copper
Vol. 45, Issue 3, Pages: 424-427(2025)
Received：25 March 2024，

Revised：08 May 2024，

Accepted：2024-05-28，

Published：20 March 2025
DOI： 10.15980/j.tzzz.20240121
稿件说明：

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梁十军，刘海涛，张彦敏，等. 晶界工程对微合金化纯铜导电性和热稳定性的影响［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（3）：424-428. DOI： 10.15980/j.tzzz.20240121.

LIANG S J，LIU H T，ZHANG Y M，et al. Effects of grain boundary engineering on conductivity and thermal stability of microalloyed pure copper［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（3）：424-428. DOI： 10.15980/j.tzzz.20240121.

摘要

利用晶界工程对Cu-Ti-S微合金化纯铜组织结构进行调控，并结合电子背散射衍射（EBSD）和光学显微镜（OM）分析了晶界工程处理对导电性和热稳定性的影响与作用机理。结果表明，晶界工程处理（每道次工艺为：冷轧20%→再结晶退火530 ℃×10 min→ 水冷，循环4道次）可显著提高微合金化纯铜的晶粒尺寸热稳定性，并保持高导电性能。经0道次和4道次晶界工程处理试样的电导率分别为58.66、58.89 MS/m，在900 ℃×30 min高温加热后的晶粒尺寸分别为129.52、50.76 μm，有效抑制了晶粒长大。这主要与晶界工程处理增加了Σ3

CSL晶界比例有关，特别是Σ3 CSL晶界比例，具有低的晶界能量和迁移率。

Abstract

Grain boundary engineering was employed to control the microstructure of Cu-Ti-S microalloying pure copper. The influence and mechanism of grain boundary engineering on conductivity and thermal stability were analyzed by electron backscatter diffraction （EBSD） and optical microscopy （OM）. The results indicate that grain boundary engineering treatment （Each pass process： cold rolling 20%→ recrystallization annealing 530 ℃×10 min → water cooling， 4 cycles） can significantly improve the thermal stability of grain size of microalloyed pure copper and maintain high conductivity. The conductivity of specimens treated with 0-pass and 4-pass grain boundary engineering is 58.66 MS/m and 58.89 MS/m， and the grain sizes are 129.52 μm and 50.76 μm after high temperature heating at 900 ℃ for 30 min， respectively， which effectively inhibits the grain growth. The results are mainly attributed to the increase of proportion of Σ3

CSL grain boundaries in grain boundary engineering， especially Σ3 CSL grain boundaries， which possesses low grain boundary energy and migration rate.

关键词

Keywords

references

李永东 . 陶瓷覆Cu板在IGBT模块的应用［J］. 缔客世界， 2021 （ 3 ）： 349 ， 395 .

侯美珍 . IGBT模块中不同金属化方法覆铜氮化铝陶瓷基板的可靠性研究［J］. 电子产品世界， 2022 ， 29 （ 12 ）： 94 - 96，100 .

陆琪，刘英坤，乔志壮，等 . 陶瓷基板研究现状及新进展［J］. 半导体技术， 2021 ， 46 （ 4 ）： 257 - 268 .

秦典成，李保忠，肖永龙，等 . 陶瓷基板表面金属化研究现状与发展趋势［J］. 材料导报， 2017 ， 31 （ S2 ）： 277 - 281 .

FAN B B ， ZHAO L ， XIE Z P . Progress in research and application of joining of ceramics and metals ［J］. Journal of Ceramics ， 2020 ， 41 （ 1 ）： 9 - 21 .

WATANABE T . Approach to grain boundary design for strong and ductile polycrystals ［J］. Res Mechanica： International Journal of Structural Mechanics and Materials Science ， 1984 ， 11 （ 1 ）： 47 - 84 .

LIN P ， AUST K T ， PALUMBO G ， et al . Influence of grain boundary character distribution on sensitization and intergranular corrosion of alloy 600 ［J］. Scripta Metallurgica et Materialia ， 1995 ， 33 （ 9 ）： 106 272 .

PALUMBO G ， ERB U . Enhancing the operating life and performance of lead-acid batteries via grain-boundary engineering ［J］. MRS Bulletin ， 1999 ， 24 （ 11 ）： 27 - 32 .

WATANABE T . Grain boundary engineering： historical perspective and future prospects ［J］. Journal of Materials Science ， 2011 ， 46 （ 12 ）： 4 095 - 4 115 .

WEST E A ， WAS G S . IGSCC of grain boundary engineered 316L and 690 in supercritical water ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2009 ， 392 （ 2 ）： 264 - 271 .

RANDLE V ， OWEN G . Mechanisms of grain boundary engineering ［J］. Acta Materialia ， 2006 ， 54 （ 7 ）： 1 777 - 1 783 .

WANG Z H ， LIU Y . Formation mechanism and application potential of Σ1 boundary in grain boundary engineering of high nitrogen austenitic stainless steel ［J］. Materials Letters ， 2019 （ 15 ）： 377 - 380 .

BIAN B ， TAHERINIYA S ， MURALIKRISHNA G M ， et al . Coupling of alloy chemistry， diffusion and structure by grain boundary engineering in Ni-Cr-Fe ［J］. Acta Materialia ， 2024 ， 264 ： 119 602 .

YANG X Y ， WANG P ， HUANG M . Grain boundary evolution during low-strain grain boundary engineering achieved by strain-induced boundary migration in pure copper ［J］. Materials Science and Engineering ， 2022 ， A833 ： 142 532 .

ZHU S ， BORODIN E ， JIVKOV A P . Topological characteristics of grain boundary networks during severe plastic deformations of copper alloys ［J］. Acta Materialia ， 2023 ， 259 ： 119 290 .

YUAN Y ， JIANG Y D ， ZHOU J ， et al . Influence of grain boundary character distribution and random high angle grain boundaries networks on intergranular corrosion in high purity copper ［J］. Materials Letters ， 2019 ， 253 ： 424 - 426 .

MAO Q ， ZHANG M C ， ZHI Y Q ， et al . Improve the ductility of a nickel based superalloy by optimizing secondary phase distribution through grain boundary engineering ［J］. Materials Characterization ， 2021 ， 181 ： 111 510 .

JIN W Z ， KOKAWA H ， WANG Z J ， et al . Improvement of transpassive intergranular corrosion resistance of 304 austenitic stainless steel by thermomechanical processing for twin-induced grain boundary engineering ［J］. ISIJ International ， 2010 ， 50 （ 3 ）： 476 - 481 .

ZHANG M X ， ZHANG C X ， WU H C ， et al . Effects of grain boundary engineering on the microstructure and corrosion fatigue properties of 316L austenitic stainless steel ［J］. Frontiers in Materials ， 2022 （ 9 ）： 931 848 .

SINHA S ， KIM D I ， FLEURY E ， et al . Effect of grain boundary engineering on the microstructure and mechanical properties of copper containing austenitic stainless steel ［J］. Materials Science and Engineering ， 2015 ， A626 ： 175 - 185 .

GUPTA G ， WAS G S . The role of grain boundary engineering on the high temperature creep of ferritic-martensitic alloy T91 ［J］. Journal of ASTM International ， 2005 ， 2 （ 3 ）： 1 - 13 .

GUAN X J ， SHI F ， JI H M ， et al . A possibility to synchronously improve the high-temperature strength and ductility in face-centered cubic metals through grain boundary engineering ［J］. Scripta Materialia ， 2020 ， 187 ： 216 - 220 .

姚顺语，马凤仓，刘平，等 . 晶界工程处理对304奥氏体不锈钢力学性能的影响［J］. 有色金属材料与工程， 2023 ， 44 （ 5 ）： 28 - 35 .

BRANDON D G . The structure of high-angle grain boundaries ［J］. Acta Metallurgica ， 1966 ， 14 （ 11 ）： 1 479 - 1 484 .

孙强，汪政，葛林，等 . 面心立方金属材料晶界结构调控的研究现状及展望［J］. 中国有色金属学报， 2022 ， 32 （ 8 ）： 2 297 - 2 315 .

朱婷 . 热处理对纯Cu线材晶界特征分布及导电性能的影响［D］. 南京：南京理工大学， 2020 .

朱婷，鹿宪珂，杨森 . 退火处理对铜导线晶界特征分布及导电性能的影响［J］. 金属热处理， 2021 ， 46 （ 9 ）： 85 - 90 .

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