原位析出TiC納米硬質(zhì)相增強(qiáng)網(wǎng)狀銅鈦復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于有色金屬材料領(lǐng)域，涉及一種原位析出TiC納米相強(qiáng)化網(wǎng)/球狀微結(jié)構(gòu) 共存的銅鈦復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 銅及其合金耐蝕，是電和熱的良導(dǎo)體，常為導(dǎo)電、導(dǎo)熱、密封元件的原材料，被廣泛 用于交通、機(jī)械、化工、通訊工程、電子工業(yè)、大規(guī)模集成電路等領(lǐng)域。需要指出的是，銅質(zhì)元 器件在應(yīng)用過程中常需承受一定的載荷，這要求材料要兼具良好的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，而 銅材料的這些性能指標(biāo)卻偏低。因此，在保證足夠?qū)щ娦缘那疤嵯?，如何提高銅的力學(xué)性能 一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。
[0003] 目前，向銅中添加合金元素或者硬質(zhì)相是改善銅材料力學(xué)性能的常用途徑。該方 法中的合金元素包括Cr、V、Zr、Ti等過渡族元素，它們具有不同于Cu的體心立方(bcc)晶體 結(jié)構(gòu)，這些元素在Cu中能夠發(fā)揮固溶時(shí)效強(qiáng)化效果，但是這些合金元素在銅中難于固溶，強(qiáng) 化效果較弱。而硬質(zhì)相的添加常能明顯提高銅材料的硬度和強(qiáng)度，這源于硬質(zhì)相對(duì)Cu位錯(cuò) 的釘扎，阻礙了位錯(cuò)的滑移和攀移，常用的硬質(zhì)粒子多為金屬硼化物、氧化物、碳化物、氮化 物，它們具有高硬度、高熔點(diǎn)和高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。然而，外加上述硬質(zhì)粒子卻因其與銅 的潤濕性差，而影響添加物與基體相之間的界面結(jié)合，有害于材料的導(dǎo)電性。
[0004] 此外，硬質(zhì)相的強(qiáng)化效果與其粒徑尺寸，以及在銅基體上的分布狀況密切相關(guān)。通 常情況下，硬質(zhì)相的尺寸越小，分布越彌散均勻，它的強(qiáng)化效果越好，尤其是能大幅度提高 材料的高溫強(qiáng)度，同時(shí)還降低了對(duì)導(dǎo)電性的不利影響。當(dāng)硬質(zhì)相的尺度降為納米數(shù)量級(jí)時(shí)， 添加物的彌散強(qiáng)化效果非常明顯，但是納米粉卻因具有高表面能而易于團(tuán)聚，這影響納米 硬質(zhì)相強(qiáng)化效果的充分發(fā)揮，降低材料性能的均一性。因此，有必要找到一種綜合利用固溶 時(shí)效強(qiáng)化與彌散強(qiáng)化機(jī)制，納米硬質(zhì)相均勻分布在銅基復(fù)合材料中的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀中存在的問題，基于兩種強(qiáng)化機(jī)制的協(xié)同效應(yīng)和Ti/C反應(yīng)特 性，本發(fā)明綜合利用多步驟機(jī)械球磨和異步熱壓燒結(jié)技術(shù)，提供了一種原位析出TiC納米硬 質(zhì)相增強(qiáng)，且微觀組織具有網(wǎng)/球形貌特征共存的硬度高導(dǎo)電性良好的銅鈦復(fù)合材料及其 制備方法。
[0006] 本發(fā)明技術(shù)方案是：原位析出TiC納米硬質(zhì)相增強(qiáng)網(wǎng)狀銅鈦復(fù)合材料，其組成為： (Cu·-xTix) 1Q()-y(TiC)y;x為Ti元素在Cu·-xTi x合金中的原子百分比，lat% < X <10at%， y為TiC在復(fù)合材料中的體積百分比，1 vol% < 30 vol %，復(fù)合材料中CuiQQ-xTix組織 形貌部分呈網(wǎng)狀，部分呈球狀。
[0007] 所述的原位析出TiC納米硬質(zhì)相增強(qiáng)網(wǎng)狀銅鈦復(fù)合材料，優(yōu)選的是，3at% < X < 8at%(優(yōu)選的，4at% < X <6 at%)。
[0008] 所述的原位析出TiC納米硬質(zhì)相增強(qiáng)網(wǎng)狀銅鈦復(fù)合材料，優(yōu)選的是，5vol% < 25 vol %(優(yōu)選的，7vol% < 15 vol %)〇
[0009] 本發(fā)明還提供了所述的原位析出TiC納米硬質(zhì)相增強(qiáng)網(wǎng)狀銅鈦復(fù)合材料的制備方 法，其步驟如下： 步驟1:按照(Cmoo-xTixhoo-jTiOy的成分配比，稱量Cu、Ti和C粉料，并稱量硬脂酸，按 照每100克0.5~5毫升的比例量取乙醇，調(diào)制出硬脂酸與乙醇混合的球磨過程控制劑； 步驟2:將步驟1準(zhǔn)備的Ti、C原材料、鋼球與機(jī)械球磨過程控制劑，裝入真空球磨罐，之 后封蓋、抽真空、充入高純氬，進(jìn)行高能機(jī)械球磨，球磨時(shí)間30~150小時(shí)，球磨轉(zhuǎn)速250~500 轉(zhuǎn)/分鐘，獲得Ti包C的高活性納米晶粉體;在無氧環(huán)境中，將Ti/C納米晶粉與步驟1準(zhǔn)備的 Cu粉一起裝入帶有球磨過程控制劑的真空罐內(nèi)，之后抽真空和充入高純氬，并在球磨機(jī)上 進(jìn)行短時(shí)間球磨，此時(shí)的球料比及轉(zhuǎn)速，與上述球磨Ti/C的參數(shù)范圍相同，球磨時(shí)間為5~20 小時(shí)，獲得Cu、Ti和C分布均勻的粉料； 步驟3:將步驟2制備得的粉體，放入真空熱壓燒結(jié)爐的模具里，把爐內(nèi)真空度抽至ΚΓ3 ~l(T4pa數(shù)量級(jí)，之后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，加熱與加壓過程異步進(jìn)行，升溫到420°C后開始施加壓 力，燒結(jié)結(jié)束后爐冷至室溫，獲得硬度高且導(dǎo)電性良好的網(wǎng)狀銅鈦復(fù)合材料。
[0010] 所述的制備方法，優(yōu)選的是，步驟1: Cu、Ti和C粉料的平均粒徑為10微米，純度在 99%以上。
[0011] 所述的制備方法，優(yōu)選的是，步驟1:硬脂酸的用量為Cu、Ti和C粉料總質(zhì)量的0.1~ 5%(優(yōu)選的，硬脂酸的用量為Cu、Ti和C粉料總質(zhì)量的0.5~2%)。
[0012] 所述的制備方法，優(yōu)選的是，步驟2:將步驟1準(zhǔn)備的Ti、C原材料、鋼球與機(jī)械球磨 過程控制劑，裝入真空球磨罐，球料比8:1~40:1 (優(yōu)選的，球料比10:1~20:1)。
[0013] 所述的制備方法，優(yōu)選的是，步驟3:燒結(jié)溫度為600_1000°C，燒結(jié)時(shí)間為0.5-5小 時(shí)(優(yōu)選的:燒結(jié)溫度為800_950°C，燒結(jié)時(shí)間為2-4小時(shí)）。
[0014] 所述的制備方法，優(yōu)選的是，步驟3:燒結(jié)保溫時(shí)壓力達(dá)到30-150 MPa(優(yōu)選的：燒 結(jié)保溫時(shí)壓力達(dá)到60-120 MPa)。
[0015] 本發(fā)明屬于有色金屬材料領(lǐng)域，涉及一種原位析出TiC納米相強(qiáng)化網(wǎng)/球狀微結(jié)構(gòu) 共存的銅鈦復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明利用納米硬質(zhì)相彌散強(qiáng)化和第二組元固溶時(shí)效 強(qiáng)化原理，采用機(jī)械球磨和異步熱壓燒結(jié)技術(shù)，制備出了固溶Ti的銅基復(fù)合材料，材料微結(jié) 構(gòu)呈網(wǎng)/球狀，TiC納米相彌散分布在球形區(qū)域。材料的制備方法為:先將Ti和C反應(yīng)物粉料 按比例進(jìn)行機(jī)械球磨獲得納米晶粉，再與Cu粉球磨，最后運(yùn)用異步熱壓燒結(jié)技術(shù)，獲得原位 析出TiC納米相強(qiáng)化網(wǎng)/球形貌共存的銅鈦復(fù)合材料。本發(fā)明主要特點(diǎn)：銅鈦合金的組織結(jié) 構(gòu)中網(wǎng)/球形貌共存，納米TiC硬質(zhì)相原位析出，均勻彌散在銅鈦合金的球形基體區(qū)域，硬質(zhì) 相顆粒表面潔凈，與銅鈦合金基體界面結(jié)合強(qiáng)度高，材料的硬度高導(dǎo)電性優(yōu)良。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)異效果是，由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明制得的銅基復(fù)合材料與外 加微米TiC強(qiáng)化非網(wǎng)狀銅基復(fù)合材料相比，具有更加優(yōu)異的硬度和導(dǎo)電性；同時(shí)與外加 TiC 強(qiáng)化相銅基復(fù)合材料制備方法相比，還省卻了硬質(zhì)相的高溫合成環(huán)節(jié)，節(jié)約了能源，降低了 生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的原位析出TiC納米硬質(zhì)相強(qiáng)化網(wǎng)/球形貌共存的銅鈦復(fù)合 材料組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 以下將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的 技術(shù)方案，并非限定本發(fā)明。
[0019] 實(shí)施例中所用原料皆可從市場購買。
[0020] 本發(fā)明具有網(wǎng)狀特征(Cu1QQ-XT ix) 1QQ-y (T i C) 丫材料的制備方法，常規(guī)步驟如下： 步驟1:按照((：111()(^1^)1()( )1(11(：\的成分配比，稱量平均粒徑為10微米的純度在99.5% 的Cu、Ti和C粉料，并稱量與Cu、Ti和C粉料總質(zhì)量0.1~5%相當(dāng)?shù)挠仓?，按照?00克0.5~5 毫升的比例量取乙醇，調(diào)制出硬脂酸與乙醇混合的球磨過程控制劑。
[0021] 步驟2:將步驟1準(zhǔn)備的Ti、C原材料、鋼球與機(jī)械球磨過程控制劑，裝入真空球磨 罐，球料比8:1~40:1，之后封蓋、抽真空、充入高純氬，進(jìn)行高能機(jī)械球磨，球磨時(shí)間30~150 小時(shí)，球磨轉(zhuǎn)速250~500轉(zhuǎn)/分鐘，獲得Ti包C的高活性納米晶粉體;在無氧環(huán)境中，將Ti/C納 米晶粉與步驟1準(zhǔn)備的Cu粉一起裝入帶有球磨過程控制劑的真空罐內(nèi)，之后抽真空和充入 高純氬，并在球磨機(jī)上進(jìn)行短時(shí)間球磨，此時(shí)的球料比及轉(zhuǎn)速，與上述球磨Ti/C的參數(shù)范圍 相同，球磨時(shí)間為5~20小時(shí)，獲得Cu、Ti和C分布均勻的粉料。
[0022] 步驟3:將步驟2制備得的粉體，放入真空熱壓燒結(jié)爐的模具里，把爐內(nèi)真空度抽至 10-3~l(T4pa數(shù)量級(jí)，之后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，加熱與加壓過程異步進(jìn)行，升溫到420°C后開始施 加壓力，燒結(jié)溫度為600-1000°C，燒結(jié)時(shí)間為0 · 5-5小時(shí)，燒結(jié)保溫時(shí)壓力達(dá)到30-150 MPa， 燒結(jié)結(jié)束后爐冷至室溫，獲得硬度高且導(dǎo)電性良好的網(wǎng)狀銅鈦復(fù)合材料。
[0023] 實(shí)施例1: (1) Ti包C納米晶前驅(qū)粉的制備:基于(Cu95Ti5)9Q(TiC) 1()的成分配比，稱量平均粒徑10 微米且純度在99%以上的Cu、Ti和C粉，并以與粉料總質(zhì)量1.5%相當(dāng)?shù)挠仓岷?毫升/100克 的乙醇混合物為球磨過程控制劑;把Ti、C粉料和球磨過程控制劑裝入真空球磨罐中，球料 比15:1，之后封蓋、抽真空、充入高純氬，進(jìn)行高能機(jī)械球磨，球磨時(shí)間120小時(shí)，球磨轉(zhuǎn)速 420轉(zhuǎn)/分鐘，獲得Ti包C的高活性納米晶粉體。
[0024] (2)均勻粉料的制備：將步驟1準(zhǔn)備的Ti包C納米晶粉作為前驅(qū)料，并與Cu粉、鋼 球、機(jī)械球磨過程控制劑一起，在無氧環(huán)境中，放入真空罐內(nèi)，之后抽真空和充入高純氬，并 在球磨機(jī)上進(jìn)行機(jī)械球磨，此時(shí)的球料比及轉(zhuǎn)速，與Ti/C前驅(qū)料的球磨參數(shù)范圍相同，球磨 時(shí)間縮短為6小時(shí)，獲得Cu、T i和C分布均勻的粉料。
[0025] (3)異步熱壓燒結(jié):將步驟2制備得的粉體，放入真空熱壓燒結(jié)爐的模具里，把爐 內(nèi)真空度抽至2 X l(T3pa，之后進(jìn)行加熱，當(dāng)爐溫升至420°C