CN103882251A

CN103882251A - 熔滴沉积反应制备弥散强化铜基复合材料的装置和方法

Info

Publication number: CN103882251A
Application number: CN201410064369.9A
Authority: CN
Inventors: 谢鲲; 曹梅青; 夏鹏成; 岳丽杰; 曾庆良
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: CN103882251B

Abstract

一种熔滴沉积反应制备弥散强化铜基复合材料的装置，包括熔滴形成系统、反应和凝固系统，所述熔滴形成系统为抽真空环境，包括由第一加热器加热的坩埚，所述坩埚处于高温状态使Cu-R合金熔化，所述坩埚的底部设有可打开和关闭的通孔；所述反应和凝固系统位于所述熔滴形成系统的正下方；所述反应和凝固系统为抽真空环境，包括恒温室，恒温室内部设有由第二加热器加热的结晶器，所述坩埚底部的通孔与所述结晶器垂直对应。本发明可通过调节气相成分和压力来控制合金液滴与气相反应，原位形成弥散强化金属基复合材料；通过熔滴逐点沉积、逐层增厚可得到复杂形状的零件。本发明同时公开了一种熔滴沉积反应制备弥散强化铜基复合材料的方法。

Description

熔滴沉积反应制备弥散强化铜基复合材料的装置和方法

技术领域

本发明涉及熔滴沉积反应制备金属基复合材料的装置和制备方法技术领域。

背景技术

弥散强化金属基复合材料是在金属基体中加入弥散分布的第二相颗粒，第二相颗粒阻碍位错运动，从而提高材料的强度。常见的如弥散强化铜基和铝基复合材料。增强相主要有氧化物、碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等。增强相的引入方式主要有两种：直接外加引入和在基体中原位自生（刘爱辉等，原位复合法制备高强高导Al₂O₃/Cu复合材料，材料热处理技术，2011,4）。前者如复合铸造法，增强颗粒与金属基体的界面存在的润湿性和密度的差异导致增强相加入困难。原位自生法通过液-气、固-气、液-液等原位反应，在金属基体上生成增强相颗粒，具有尺寸细小、分布均匀、与基体的结合力强等特点。原位自生法主要有内氧化法、液相混合原位反应法、共沉淀法、反应喷射沉积法、机械合金化法、自蔓燃法等等（吴瑞瑞，复合材料原位合成技术的研究现状及展望，铸造，2013,8）。这种方法有利于制备小尺寸复合材料，如粉末、薄带等等。要得到大规格材料，一般还要经过锻造、挤压、轧制等粉末冶金致密化工艺。

弥散强化铜基复合材料，具有高强度、高导电和导热性以及良好的抗电弧侵蚀性、抗磨性能，是制备电阻焊电极、电气工程开关触桥川、发电机用集电环、电动工具换向器、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架川、高速铁路电力机车架空导线芯团、高速列车异步牵引电动机转子等器件的优良材料。（张生龙，尹志民，高强高导铜合金设计思路及其应用，材料导报，2003,11）。

弥散强化铜的强化相主要有Al₂O₃、Y₂O₃、ZrO₂、TiB₂等，制备方法有复合铸造法、液相混合原位反应法、内氧化法、反应喷射沉积等等。复合铸造法难以获得弥散分布的纳米颗粒，而内氧化法等涉及到粉末冶金的工艺过程复杂，并且残留的孔隙难以消除，影响材料的性能。

申请号为201210358786.5的发明申请（公开号CN102994798A），发明了一种稀土氧化物弥散强化铜的制备方法，采用液相原位反应的方法可以在铜基体上得到高体积分数的弥散纳米Y₂O₃粒子，所制备的复合材料具有高电导率和高的高温强度。但是，由于这种方法需要借助氧原子在先凝固固相中的扩散以增加固相的厚度，所以锭材的尺寸受到限制。

反应喷射沉积是在液相反应和喷射沉积工艺基础上发展起来的复合材料制备技术，金属液流被雾化成液滴，借助于液滴与雾化气体之间的化学反应生成增强相陶瓷粒子。例如制备Al₂O₃/Cu的工艺过程：利用含氧的高压氮气将Cu-Al合金雾化，将Cu-Al合金雾滴中的Al氧化成Al₂O₃颗粒，进而沉积成Al₂O₃/Cu复合材料，最后将沉积坯挤压成型（刘爱辉等，原位复合法制备高强高导Al₂O₃/Cu复合材料，材料热处理技术，2011,4）。这种方法的雾化过程、液滴的凝固过程和化学反应过程均难以控制。

发明人在研究的过程中发现，现有技术存在以下局限性：（1）弥散强化铜的两类制备方法中，直接外加引入法难以获得弥散分布的纳米相；原位自生法的工艺过程复杂，孔隙难以消除。（2）熔滴喷射装置不涉及气氛的控制，不能用于制备弥散强化金属基复合材料。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种熔滴沉积反应制备金属基复合材料的装置和方法，使用该装置制备熔滴沉积反应制备金属基复合材料，则通过调节气相成分和压力来控制合金液滴与气相反应，原位形成弥散强化金属基复合材料；通过熔滴逐点沉积、逐层增厚可得到复杂形状的零件，该装置工艺过程简单，孔隙容易消除。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种熔滴沉积反应制备弥散强化铜基复合材料的方法，包括：

a、准备Cu-R合金，其中R为稀土元素、Zr元素或Th元素中的一种或多种；

b、将Cu-R合金装入处于抽真空环境中的坩埚内，并对坩埚加热使Cu-R合金熔融呈液态；或将Cu-R合金装入密闭抽真空的坩埚内，并对坩埚加热使Cu-R合金熔融呈液态；

c、在真空环境中，将熔融呈液态的Cu-R合金液体滴至处于抽真空环境中的结晶器上，保持所述结晶器处于高温状态，形成液膜，该步骤中的抽真空环境内部充有保护气氛和氧气；

d、液膜处于高温状态保持一定时间，使液膜中的R元素氧化，得到一层氧化物弥散强化铜；

e、重复c、d，使氧化物弥散强化铜逐层增厚。

步骤a中，所述Cu-R合金是在抽真空环境中或惰性保护气氛的环境中下熔炼成，呈块状、片状或者粉状。

步骤b中的抽真空环境中充入保护气氛，或者步骤b中的密闭抽真空的坩埚内冲入保护气氛。

步骤b中，对坩埚加热至1000～1200℃下保温，气氛压力低于10^-3Pa，如果含有氧气，氧分压应低于10^-5Pa。

步骤c中，所述结晶器的温度为900～1100℃。

步骤c中，气氛压力为10^-3～10^-2Pa，控制气氛中的氧分压为10^-6～10^-3Pa。

步骤d中，液膜处于高温状态保持时间不超过600秒，使液膜中的R氧化即可。

所述结晶器由旋转振动装置驱动，以使液态的Cu-R合金迅速形成液膜。

以上所述保护气氛为惰性气体、氮气或氢气中的任意一种或多种混合。

一种熔滴沉积反应制备弥散强化铜基复合材料的装置，包括熔滴形成系统、反应和凝固系统，

所述熔滴形成系统为抽真空环境，包括由第一加热器加热的坩埚，所述坩埚处于高温状态使Cu-R合金熔化，所述坩埚的底部设有可打开和关闭的通孔；

所述反应和凝固系统位于所述熔滴形成系统的正下方；

所述反应和凝固系统为抽真空环境，包括恒温室，恒温室内部设有由第二加热器加热的结晶器，所述坩埚底部的通孔与所述结晶器垂直对应；

恒温室与第二气源连通，由所述第二气源向所述恒温室中充入保护气氛和氧气；

所述恒温室与第三抽真空系统连接。

所述熔滴形成系统与下部的反应和凝固系统通过高真空室连通，所述高真空室与第二抽真空系统连通。

所述坩埚自身为密闭结构，所述坩埚与第一抽真空系统、第一气源连通；或者将所述坩埚置于一真空室中，所述真空室与第一抽真空系统、第一气源连通。

所述坩埚中设有一个柱塞，所述柱塞与坩埚底部的通孔接触，并且所述柱塞由第一定位器控制做伸缩运动，所述第一定位器上设有超声器。

所述结晶器的外部设有第二加热器，结晶器的底部由旋转振动台驱动，并且所述旋转振动台与结晶器之间通过第二定位器连接。

所述第二气源与恒温室之间设有恒压室；

在所述第三抽真空系统与恒温室之间设有预抽室。

所述恒温室还与第三气源连接，所述第三气源为保护气氛，可以为氢气、氮气和惰性气体中的任意一种或多种混合。

本发明提供的熔滴沉积反应装置和使用该装置制备金属基复合材料的方法，可通过调节气相成分和压力来控制合金液滴与气相反应，原位形成弥散强化金属基复合材料。通过熔滴逐点沉积、逐层增厚可得到复杂形状的零件。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例所述的熔滴沉积反应装置结构示意图。

图2是图1所述装置的控制原理图。

图3是本发明实施例所述的简易熔滴沉积反应装置结构示意图。

图4是图3所述装置的控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-2所示，所述熔滴形成系统自上而下依次包括真空室16、与真空室16密封连接的高真空室19；所述真空室16内置坩埚1，坩埚1外部设有第一加热器7；坩埚1底部设有通孔，柱塞3设置于通孔上方穿过真空室16顶部的盖板10与第一定位器4连接，第一定位器4与超声器15连接；第一定位器4用于驱动柱塞3升降；

所述反应和凝固系统包括与高真空室19密封连接的恒温室2，所述恒温室2底部内置旋转震动台18，旋转震动台18上连接第二定位器6，第二定位器6上放置有结晶器5，结晶器5外部设有第二加热器8；旋转震动台18驱动结晶器5旋转或震动，使结晶器5内金属锭13上的液体迅速成为液膜12；

所述气体及真空系统包括第一抽真空系统O1、第二抽真空系统O2、第三抽真空系统O3、第一气源I1、第二气源I2和第三气源I3、与恒温室2分别通过管道连接的恒压室9和预抽室17；

所述控制系统包括第一真空压力探头P1、第二真空压力探头P2、第三真空压力探头P3、第四真空压力探头P4、第一热电偶T1、第二热电偶T2、第一位置检测器S1、第二位置检测器S2、第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第三电磁阀V3、第四电磁阀V4、第五电磁阀V5、第六电磁阀V6、第七电磁阀V7、第八电磁阀V8、温度控制器T、压力控制器P、位置控制器S与中央处理器C；

温度控制器T、压力控制器P和位置控制器S分别与中央处理器C连接；

第一热电偶T1、第二热电偶T2分别与温度控制器T连接；第一位置检测器S1、第二位置检测器S2分别与位置控制器S连接；第一真空压力探头P1、第二真空压力探头P2、第三真空压力探头P3、第四真空压力探头P4分别与压力控制器P连接；第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第三电磁阀V3、第四电磁阀V4、第五电磁阀V5、第六电磁阀V6、第七电磁阀V7、第八电磁阀V8分别与压力控制器P连接。

进一步的，所述第三真空压力探头P3设置于第一真空室16顶部盖板10的内部，分别与设置在盖板10外表面上的第四电磁阀V4和第五电磁阀V5连接；

第四电磁阀V4与第一气源I1连接，第五电磁阀V5与第一抽真空系统O1连接。

进一步的，柱塞3的底部与坩埚1通孔空间内设有第二热电偶T2，第一加热器7、第二热电偶T2与温度控制器T连接，控制坩埚1内的金属液11保持恒定的温度。

进一步的，所述第二定位器6上放置有第二位置检测器S2，用于接收第二定位器6的位置信息。

进一步的，液膜12边缘容器设有第一热电偶T1，第一热电偶T1与温度控制器T相连，控制金属锭13和液膜12处于设定温度。

进一步的，所述恒温室2内设有第二真空压力探头P2，恒温室2通过第六电磁阀V6与预抽室17连接，预抽室17内设有第四真空压力探头P4，预抽室17通过第七电磁阀V7与第三抽真空系统O3连接；

第四真空压力探头P4、第二电磁阀V2、第一电磁阀V1与压力控制器P连接，调节预抽室17中的气氛处于设定的压力值；

第二真空压力探头P2、第二电磁阀V2、第六电磁阀V6与压力控制器P连接，控制薄液膜12处于设定压力的气氛内。

进一步的，所述恒压室9与第二电磁阀V2相连，恒压室9内设有第一真空压力探头P1，恒压室9通过第一电磁阀V1与第二气源I2相连。恒压室9内设有第一真空压力探头P1，恒压室9通过第一电磁阀V1与第二气源I2连接;

第一真空压力探头P1、第一电磁阀V1与压力控制器P连接，调节恒压室9中的气氛处于设定的压力。

进一步的，所述第二真空室19通过第三电磁阀V3与第二抽真空系统O2连接，用于保持坩埚1底部通孔位置处于高真空气氛下。

实施例二

如图3-4所示，本实施例中，采用简易的坩埚1结构，坩埚1本身采用盖板10密封，并且在本实施例中省去了预抽室17和恒压室9，使整个系统的结构更为简单，易于实现。

实施例三

e、重复c、d，使氧化物弥散强化铜逐层增厚。

步骤b中，对坩埚加热至1000℃下保温，气氛压力为10^-4Pa，如果含有氧气，氧分压为10^-6Pa。

步骤c中，所述结晶器的温度为900℃。

步骤c中，气氛压力为10^-3Pa，控制气氛中的氧分压为10^-6Pa。

步骤d中，液膜处于高温状态保持时间10秒，使液膜中的R元素氧化即可。

实施例四

e、重复c、d，使氧化物弥散强化铜逐层增厚。

步骤b中，对坩埚加热至1200℃下保温，气氛压力为4×10^-4Pa，如果含有氧气，氧分压为5×10^-6Pa。

步骤c中，所述结晶器的温度为1000℃。

步骤_c中，气氛压力为5×10^-3Pa，控制气氛中的氧分压为5×10^-4Pa。

步骤d中，液膜处于高温状态保持时间50秒，使液膜中的R元素氧化即可。

实施例五

e、重复c、d，使氧化物弥散强化铜逐层增厚。

步骤b中，对坩埚加热至1100℃下保温，气氛压力为9×10^-5Pa，如果含有氧气，氧分压为9×10^-5Pa。

步骤c中，所述结晶器的温度为1100℃。

步骤c中，气氛压力为10^-2Pa，控制气氛中的氧分压为10^-3Pa。

步骤d中，液膜处于高温状态保持时间不超过100秒，使液膜中的R元素氧化即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的特征并不局限于此，任何熟悉该项技术的人在本发明领域内，可轻易想到的变化或修饰，都应涵盖在以下本发明的申请专利范围中。

Claims

1.一种熔滴沉积反应制备弥散强化铜基复合材料的方法，包括：

c、在真空环境中，将熔融呈液态的Cu-R合金液体滴至处于抽真空环境中的结晶器上，形成液膜，该步骤中的抽真空环境内部充有保护气氛和氧气；

e、重复c、d，使氧化物弥散强化铜逐层增厚。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，步骤a中，所述Cu-R合金是在抽真空环境中或惰性保护气氛的环境中下熔炼而成，呈块状、片状或者粉状。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，步骤b中的抽真空环境中充入保护气氛，或者步骤b中的密闭抽真空的坩埚内冲入保护气氛。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述结晶器由旋转振动装置驱动，以使液态的Cu-R合金迅速形成液膜。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述保护气氛为惰性气体、氮气或氢气中的任意一种或多种混合。

6.一种熔滴沉积反应制备弥散强化铜基复合材料的装置，其特征在于，包括熔滴形成系统、反应和凝固系统，

所述反应和凝固系统位于所述熔滴形成系统的正下方；

所述恒温室与第三抽真空系统连接。

7.如权利要求6所述的装置，其特征是，所述熔滴形成系统与下部的反应和凝固系统通过高真空室连通。

8.如权利要求6所述的装置，其特征是，所述坩埚自身为密闭结构；或者将所述坩埚置于一真空室中。

9.如权利要求6所述的装置，其特征是，结晶器的底部由旋转振动台驱动。

10.如权利要求6所述的装置，其特征是，在所述第三抽真空系统与恒温室之间设有预抽室。