CN103920878B - 反应熔滴沉积装置及用其制备弥散强化铜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反应熔滴沉积装置，包括真空室、第一气源、第一抽真空系统和装有Cu-R合金粉末的料斗，其中R为稀土元素的一种或多种组合，所述第一气源、第一抽真空系统分别与真空室连通，所述真空室内设有由加热体进行加热的结晶器，所述料斗的底部设有落料装置使料斗中的Cu-R合金粉末落入结晶器上。本发明提供的反应熔滴沉积装置及用其制备弥散强化铜的方法，控制气氛的成分，通过气-液反应制备复合材料，液相厚度小，扩散距离短；通过可控的原位反应制备弥散强化金属基复合材料。逐层沉积，制备大块复合材料锭。

Description

反应熔滴沉积装置及用其制备弥散强化铜的方法

技术领域

本发明涉及反应熔滴沉积装置及用其制备弥散强化铜的方法技术领域。

背景技术

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、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。

现有技术的局限性：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。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计的反应沉积装置，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。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种反应熔滴沉积装置制备弥散强化铜的方法，包括：

a、准备Cu-R合金粉末，其中R为稀土元素、Zr元素或Th元素中的一种或多种组合，R的含量为0.1-10wt%；

b、将Cu-R合金粉末散落在结晶器上并对结晶器加热，使Cu-R合金熔化为合金液，所述结晶器放置在抽真空环境中，并且抽真空环境中充有保护气氛；

c、向抽真空环境中充入保护气氛和氧气的混合气体，并且氧气的含量不超过混合气体总体积的10%，保持一定时间使合金液膜中的R元素氧化；

d、重复b、c，使氧化物弥散强化铜逐层增厚。

步骤b、c中，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。

步骤b中，结晶器温度为1000～1100℃。

步骤b中，抽真空环境中的压力为<10^-3Pa，并且其中氧分压小于10^-5Pa。

步骤c中，抽真空环境中的保护气氛压力为10^-3～10^-1Pa，并且保护气氛中的氧分压为10^-5～10^-2Pa。

步骤c中，保持时间不超过600秒，使R元素氧化即可。

一种反应熔滴沉积装置，包括真空室、第一气源、第一抽真空系统和装有Cu-R合金粉末的料斗，其中R为稀土元素的一种或多种组合，所述第一气源、第一抽真空系统分别与真空室连通，所述真空室内设有由加热体进行加热的结晶器，所述料斗的底部设有落料装置使料斗中的Cu-R合金粉末落入结晶器上。

所述落料装置包括装粉靴、模腔、布粉器，所述装粉靴与料斗的底部连接，使Cu-R合金粉末可导入装粉靴，装粉靴的下部与模腔连通，装粉靴可回转移动使Cu-R合金粉末进入模腔之中并均匀分布，所述布粉器位于模腔的底部，布粉器移动使模腔中的Cu-R合金粉末落料。

所述结晶器的底部与定位器连接，并且所述定位器与旋转振动台连接并由旋转振动台驱动。结晶器放在定位器上，可以设与定位器连接的旋转震动台，可以驱动结晶器旋转或震动，使结晶器内金属锭上的金属液体迅速平摊成为液膜。

所述料斗置于密闭的料仓之中，并且所述料仓与第二气源、第二抽真空系统连接；料仓的顶部设有密封盖板，使料仓可以便于打开和加料，第二气源、第二抽真空系统分别连接到所述密封盖板上；在第二气源与料仓之间的管道上设有电磁阀V5；在第二抽真空系统与料仓之间的管道上设有电磁阀V6。

在所述第一气源与真空室之间的通道上设有恒压室，在第一气源与恒压室之间的管道上设有电磁阀V1，在恒压室与真空室之间的管道上设有电磁阀V2；恒压室内设有压力传感器P1；

在所述第一抽真空系统与所述真空室之间的通道上设有预抽室，在第一抽真空系统与预抽室之间的管道上设有电磁阀V3，在预抽室与真空室之间的管道上设有电磁阀V4；预抽室内设有压力传感器P4；

真空室内设有压力传感器P2；料仓内设有压力传感器P3。

在真空室内设有气体传感器L。

所述结晶器呈圆形，所述模腔呈圆形，模腔与结晶器上下垂直对应，所述装粉靴可在模腔上做圆周移动，使模腔的Cu-R合金粉末均匀分布。

在所述模腔与真空室之间设有隔板，使真空室和料仓隔开，使密封盖板在打开的状态下，保证真空室内部压力恒定。

在结晶器的上部设有隔热板，所述隔热板与布粉器一起运动，使模腔内的Cu-R合金粉末均匀落入结晶器内的金属锭上，被加热为合金液。

所述结晶器上设有金属锭，所述金属锭的底部与定位器连接，所述金属锭的顶部表面接受Cu-R合金粉末。

在液膜附近设有热电偶T1，用以测量液膜位置的温度，热电偶T1、加热体与温度控制器T相连。

在定位器附近设有位置检测器S1，位置检测器S1可以检测结晶器的精确位置。位置检测器S1、定位器与位置控制器S连接，通过程序控制结晶器升降，使结晶器内的金属锭保持在特定位置。

在真空室中设有的气体传感器L，可探测气氛中的氧或其它气体含量，并将数据传输给中央处理器C。中央处理器C根据测试数据计算后向电磁阀发出指令，控制真空室、料仓、预抽室、恒压室中的气氛处于特定的压力和成分参数范围内。

本发明提供的一种反应熔滴沉积装置及用其制备弥散强化铜的方法，控制气氛的成分，通过气-液反应制备复合材料，液相厚度小，扩散距离短；通过可控的原位反应制备弥散强化金属基复合材料。逐层沉积，制备大块复合材料锭。

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反应熔滴沉积装置的结构示意图。

图2是本发明实施例所述的反应熔滴沉积装置的控制芯片结构图结构示意图。

图中：结晶器1、真空室2、料仓3、料斗4、装粉靴5、布粉器6、隔热板7、加热体8、恒压室9、预抽室10、旋转震动台11、定位器12，金属锭13、液膜14、密封盖板15、隔板16、合金粉末17、模腔18；压力传感器P1、P2、P3、P4、电磁阀V1、V2、V3、V4、V5、V6，第二气源I1、第一气源I2，第二抽真空系统O1、第一抽真空系统O2，热电偶T1、位置检测器S1、气体传感器L，压力控制器P、温度控制器T、位置控制器S、中央处理器C。

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，反应熔滴沉积装置，包括真空室2、第一气源I2、第一抽真空系统O2和装有Cu-R合金粉末17的料斗4，其中R为稀土元素的一种或多种组合，所述第一气源I2、第一抽真空系统O2分别与真空室2连通，所述真空室2内设有由加热体8进行加热的结晶器1，所述料斗4的底部设有落料装置使料斗4中的Cu-R合金粉末17落入结晶器1上。

所述落料装置包括装粉靴5、模腔18、布粉器6，所述装粉靴5与料斗4的底部连接，使Cu-R合金粉末17可导入装粉靴5，装粉靴5的下部与模腔18连通，装粉靴5可回转移动使Cu-R合金粉末17进入模腔18之中并均匀分布，所述布粉器6位于模腔18的底部，布粉器6移动使模腔18中的Cu-R合金粉末17落料。

所述结晶器1的底部与定位器12连接，并且所述定位器12与旋转振动台11连接并由旋转振动台11驱动。结晶器1放在定位器上，可以设与定位器12连接的旋转震动台11，可以驱动结晶器1旋转或震动，使结晶器1内金属锭13上的金属液体迅速平摊成为液膜14。

所述料斗4置于密闭的料仓3之中，并且所述料仓3与第二气源I1、第二抽真空系统O1连接；料仓3的顶部设有密封盖板15，使料仓3可以便于打开和加料，第二气源I1、第二抽真空系统O1分别连接到所述密封盖板15上；在第二气源I1与料仓3之间的管道上设有电磁阀V5；在第二抽真空系统O1与料仓3之间的管道上设有电磁阀V6。

在所述第一气源I2与真空室2之间的通道上设有恒压室9，在第一气源I2与恒压室9之间的管道上设有电磁阀V1，在恒压室9与真空室2之间的管道上设有电磁阀V2；恒压室9内设有压力传感器P1；

在所述第一抽真空系统O2与所述真空室2之间的通道上设有预抽室10，在第一抽真空系统O2与预抽室10之间的管道上设有电磁阀V3，在预抽室10与真空室2之间的管道上设有电磁阀V4；预抽室10内设有压力传感器P4；

真空室2内设有压力传感器P2；料仓3内设有压力传感器P3。可将检测的压力信号传递给压力控制器P和中央处理器C。

在真空室2内设有气体传感器L。

所述结晶器1呈圆形，所述模腔18呈圆形，模腔18与结晶器上下垂直对应，所述装粉靴5可在模腔上做圆周移动，使模腔的Cu-R合金粉末17均匀分布。

在所述模腔与真空室2之间设有隔板7，使真空室2和料仓3隔开，使密封盖板15在打开的状态下，保证真空室2内部压力恒定。

在结晶器1的上部设有隔热板，所述隔热板7与布粉器6一起运动，使模腔18内的Cu-R合金粉末17均匀落入结晶器1内的金属锭13上，被加热为合金液。

所述结晶器1上设有金属锭13，所述金属锭13的底部与定位器12连接，所述金属锭13的顶部表面接受Cu-R合金粉末17。

在液膜14附近设有热电偶T1，用以测量液膜位置的温度，热电偶T1、加热体与温度控制器T相连。

在定位器12附近设有位置检测器S1，位置检测器S1可以检测结晶器1的精确位置。位置检测器S1、定位器与位置控制器S连接，通过程序控制结晶器1升降，使结晶器1内的金属锭保持在特定位置。

在真空室2中设有的气体传感器L，可探测气氛中的氧或其它气体含量，并将数据传输给中央处理器C。中央处理器C根据测试数据计算后向电磁阀发出指令，控制真空室2、料仓3、预抽室10、恒压室9中的气氛处于特定的压力和成分参数范围内。

实施例二

采用实施例一所述的装置，包括：

（1）按所需成分准备Cu-R合金粉末，R含量为0.1wt%。

（2）准备混合气瓶作为气源（分别为第一气源I2、第二气源I1），内装氩气和氧气的混合气，氧含量为体积份数0.1%。准备氩气瓶，内装纯氩气。

（3）将合金粉末装入料斗4内，封闭料仓3。

（4）关闭电磁阀V1、V2、V3、V4、V5，开启第二抽真空系统O1、第一抽真空系统O2，开启电磁阀V4、V6、V3，抽真空至10^-2Pa。关闭电磁阀V4、V6、V3，开启电磁阀V5，将氩气充入料仓3和真空室2内，至气氛压力为0.05MPa。反复数次，最后保持气氛压力为10^-5Pa，控制气氛中氧分压10^-6Pa。

（5）移动布粉器6和隔热板7，使布粉器6位于隔板16上的孔的下部，使隔热板7盖在结晶器1上部。

（6）加热体通电，控制结晶器温度为1000℃。

（7）移动装粉靴5，使合金粉末流入模腔18内。移动布粉器6和隔热板7，使模腔18内的合金粉末落入结晶器内并被加热熔化为合金液。

（8）关闭电磁阀V4。开启电磁阀V2，充入混合气体，使恒温室气氛压力为10^-3Pa，控制气氛中的氧分压为10^-5Pa。保持50秒，使合金液膜中的R元素氧化为R₂O₃。

（9）关闭电磁阀V4，开启电磁阀V2，保持气氛压力为10^-5Pa，调整氧分压为10^-7Pa。

（10）重复（7）-（9）过程。

本实施例中步骤（2）使用的混合气体也可以是氢气和氮气。

实施例三

采用实施例一所述的装置，包括：

（1）按所需成分准备Cu-R合金粉末，R含量为1wt%。

（2）准备混合气瓶作为气源（分别为第一气源I2、第二气源I1），内装氩气和氧气的混合气，氧含量为体积份数1%。准备氩气瓶，内装纯氩气。

（3）将合金粉末装入料斗4内，封闭料仓3。

（4）关闭电磁阀V1、V2、V3、V4、V5，开启第二抽真空系统O1、第一抽真空系统O2，开启电磁阀V4、V6、V3，抽真空至10^-2Pa。关闭电磁阀V4、V6、V3，开启电磁阀V5，将氩气充入料仓3和真空室2内，至气氛压力为0.06MPa。反复数次，最后保持气氛压力为9×10^-5Pa，控制气氛中氧分压9×10^-7Pa。

（5）移动布粉器6和隔热板7，使布粉器6位于隔板16上的孔的下部，使隔热板7盖在结晶器1上部。

（6）加热体通电，控制结晶器温度为1050℃。

（7）移动装粉靴5，使合金粉末流入模腔18内。移动布粉器6和隔热板7，使模腔18内的合金粉末落入结晶器内并被加热熔化为合金液。

（8）关闭电磁阀V4。开启电磁阀V2，充入混合气体，使恒温室气氛压力为10^-2Pa，控制气氛中的氧分压为10^-4Pa。保持10秒，使合金液膜中的R元素氧化为R₂O₃。

（9）关闭电磁阀V4，开启电磁阀V2，保持气氛压力为9×10^-5Pa，调整氧分压为9×10^-7Pa。

（10）重复（7）-（9）过程。

本实施例中步骤（2）使用的混合气体也可以是氢气和氮气。

实施例四

采用实施例一所述的装置，包括：

（1）按所需成分准备Cu-R合金粉末，R含量为10wt%。

（2）准备混合气瓶作为气源（分别为第一气源I2、第二气源I1），内装氩气和氧气的混合气，氧含量为体积份数10%。准备氩气瓶，内装纯氩气。

（3）将合金粉末装入料斗4内，封闭料仓3。

（4）关闭电磁阀V1、V2、V3、V4、V5，开启第二抽真空系统O1、第一抽真空系统O2，开启电磁阀V4、V6、V3，抽真空至10^-2Pa。关闭电磁阀V4、V6、V3，开启电磁阀V5，将氩气充入料仓3和真空室2内，至气氛压力为0.08MPa。反复数次，最后保持气氛压力为5×10^-5Pa，控制气氛中氧分压5×10^-7Pa。

（5）移动布粉器6和隔热板7，使布粉器6位于隔板16上的孔的下部，使隔热板7盖在结晶器1上部。

（6）加热体通电，控制结晶器温度为1100℃。

（7）移动装粉靴5，使合金粉末流入模腔18内。移动布粉器6和隔热板7，使模腔18内的合金粉末落入结晶器内并被加热熔化为合金液。

（8）关闭电磁阀V4。开启电磁阀V2，充入混合气体，使恒温室气氛压力为10^-1Pa，控制气氛中的氧分压为10^-3Pa。保持100秒，使合金液膜中的R元素氧化为R₂O₃。

（9）关闭电磁阀V4，开启电磁阀V2，保持气氛压力为5×10^-5Pa，调整氧分压为5×10^-7Pa。

（10）重复（7）-（9）过程。

本实施例中步骤（2）使用的混合气体也可以是氢气和氮气。

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 (10)

1.一种反应熔滴沉积装置制备弥散强化铜的方法，包括：

a、准备Cu-R合金粉末，其中R为稀土元素、Zr元素或Th元素中的一种或多种组合，R的含量为0.1-10wt％；

b、将Cu-R合金粉末散落在结晶器上并对结晶器加热，使Cu-R合金熔化为合金液膜，所述结晶器放置在抽真空环境中，并且抽真空环境中充有保护气氛；

c、向抽真空环境中充入保护气氛和氧气的混合气体，并且氧气的含量不超过混合气体总体积的10％，保持一定时间使合金液膜中的R元素氧化，得到一层氧化物弥散强化铜；

d、重复b、c，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b、c中，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。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是，步骤b中，结晶器温度为900～1100℃。

4.如权利要求2所述的方法，其特征是，步骤b中，抽真空环境中的压力为<10^-4Pa，并且其中氧分压小于10^-5Pa。

5.如权利要求2所述的方法，其特征是，步骤c中，抽真空环境中的保护气氛压力为10^-3～10^-1Pa，并且保护气氛中的氧分压为10^-5～10^-3Pa。

6.一种反应熔滴沉积装置，包括真空室、第一气源、第一抽真空系统和装有Cu-R合金粉末的料斗，其中R为稀土元素的一种或多种组合，所述第一气源、第一抽真空系统分别与真空室连通，所述真空室内设有由加热体进行加热的结晶器，所述料斗的底部设有落料装置使料斗中的Cu-R合金粉末落入结晶器上。

7.如权利要求6所述的装置，其特征是，所述落料装置包括装粉靴、模腔、布粉器，所述装粉靴与料斗的底部连接，使Cu-R合金粉末可导入装粉靴，装粉靴的下部与模腔连通，装粉靴可回转移动使Cu-R合金粉末进入模腔之中并均匀分布，所述布粉器位于模腔的底部，布粉器移动使模腔中的Cu-R合金粉末落料。

8.如权利要求6所述的装置，其特征是，所述结晶器的底部与定位器连接，并且所述定位器与旋转振动台连接并由旋转振动台驱动。

9.如权利要求6所述的装置，其特征是，所述料斗置于密闭的料仓之中，并且所述料仓分别与第二气源和第二抽真空系统连接。

10.如权利要求6所述的装置，其特征是，在所述第一气源与真空室之间的通道上设有恒压室；或者，在所述第一抽真空系统与所述真空室之间的通道上设有预抽室。