CN107377966A

CN107377966A - 一种高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末及其制备方法

Info

Publication number: CN107377966A
Application number: CN201710598188.8A
Authority: CN
Inventors: 周登山; 耿宏伟; 张德良
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2017-11-24

Abstract

本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末及其制备方法。技术方案如下：一种高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末，原料包括：Cu粉、纳米Y₂O₃粉和TiH₂粉；原料配比为：0.5vol.％‑5.5vol.％纳米Y₂O₃粉，0.05wt.％‑1wt.％TiH₂粉，其余为Cu粉。其制备方法：在充满氩气的手套箱内，将原料放入装有不锈钢磨球的球磨罐内；用行星球磨机进行低速及高速球磨。本发明提供的高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末及其制备方法，采用热稳定性高且无相变的Y₂O₃纳米颗粒，添加TiH₂粉末，利用工艺简单、灵活的高能球磨法制备，固结该粉末，能够制备性能突出的块体纳米结构铜基复合材料。

Description

一种高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末及其制备方法。

背景技术

氧化物弥散强化铜材料具有高的强度、强的抗软化能力和良好的电导率，正因为这些优异的性能，该类材料在科技生产中扮演着不可替代的角色。室温下，纯铜一般较软，为了弥补纯铜的强度缺陷，过去，人们往往通过添加合金元素来强化铜，得益于沉淀相的强化效果，经合金强化后的铜合金材料的强度得到些许改善。但是，由于电导率对固溶原子非常敏感，所以，如何最大限度地降低合金元素在铜中的残余量是比较头疼的问题。此外，沉淀相的热稳定性不高，在中等温度下容易发生粗化或溶解。沉淀相粗化或溶解直接导致材料的强度或电导率下降，从而损害材料的综合性能。鉴于此，向铜中引入高热稳定和均匀弥散的氧化物后，材料的电导率不仅得到了保证，同时，其室温和高温强度也得到显著提高。氧化物弥散强化铜材料的这些独特性能使它广泛应用于电触头材料、电阻焊电极、大规模集成电路引线框架、核聚变系统中的等离子作用部件、燃烧室衬套、灯丝引线、大功率微波管结构材料、连铸机结晶器、直升机启动马达的整流子及浸入式燃料泵的整流子、先进飞行器的机翼或叶片前缘等。

常见的弥散强化铜的氧化物是γ-Al₂O₃纳米颗粒(γ-Al₂O₃纳米颗粒尺寸通常低于50nm)，主要是通过内氧化Cu-Al合金粉末而来。Cu-Al 合金粉末经内氧化后，制得Cu-Al₂O₃复合粉末，随后对Cu-Al₂O₃复合粉末依次进行还原、压坯、烧结和热固结(热压、热挤压、热锻造或热轧制)。以上是制备氧化铝弥散强化铜的传统途径。

尽管内氧化法制备氧化铝弥散强化铜复合粉末是相对成熟的商业化方法，但是,内氧化条件复杂、苛刻且不宜制备氧化铝体积含量 (volume fraction：vol.％)高于2.5vol.％，当体积含量大于2.5vol.％，部分氧化铝颗粒粗化严重。另外，虽然γ-Al₂O₃具有高的热稳定性，但是，在高温内氧化和热固结过程中，γ-Al₂O₃易发生相变，转变为α-Al₂O₃。这些亟待解决的问题严重制约着高性能氧化物弥散强化铜材料的制备和开发。

发明内容

本发明提供一种高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末及其制备方法，采用热稳定性高且无相变的Y₂O₃纳米颗粒，添加 TiH₂粉末，利用工艺简单、灵活的高能球磨法制备，固结该粉末，能够制备性能突出的块体纳米结构铜基复合材料。

本发明的技术方案如下：

一种高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末，原料包括：Cu粉、纳米Y₂O₃粉和TiH₂粉；原料配比为：0.5vol.％-5.5vol.％纳米Y₂O₃粉，0.05wt.％-1wt.％TiH₂粉，其余为Cu粉。

所述的高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末，其优选方案为，原料配比为：5vol.％纳米Y₂O₃粉，0.4wt.％TiH₂粉，其余为Cu粉。

上述的高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末的制备方法，包括如下步骤：

a.按照原料配比用精密天平称量Cu粉、纳米Y₂O₃粉和TiH₂粉，放入装有不锈钢磨球的球磨罐内，不锈钢磨球包括5个直径20cm的钢球和10个直径16cm的钢球；其中，原料的总质量与不锈钢磨球的总质量的比值为5：1；

b.在充满氩气的手套箱内，对装有不锈钢磨球和原料的球磨罐进行密封操作；

c.首先用行星球磨机在低运行速度＝200转/分下充分混合原料6 小时，然后行星球磨机在高运行速度＝500转/分下对混合原料球磨12 小时，高速球磨期间无间歇；

d.高速球磨结束后，在充满氩气的手套箱内将混合原料取出。

本发明的有益效果为：

1、制备方法简单、灵活且易控；

2、TiH₂粉末原料丰富、便宜且表现出脆性，脆而硬的 TiH₂粉末颗粒有助于提高球磨效率；此外，TiH₂分解后放出的氢气可以带走体系中的部分氧，这将有助于清除体系中的过量氧；

3、可实现高体积含量均匀弥散的Y₂O₃纳米颗粒弥散强化铜的制备；

4、Ti掺杂的纳米结构Cu-Y₂O₃复合粉末具有极高的热稳定性；Ti在稳定Y₂O₃纳米颗粒和Cu基体晶粒的同时还可以被用来与C、B或O等元素反应生成TiC、TiB/TiB₂或TiO₂来进一步增强材料；

5、为制备高性能纳米结构铜基纳米复合材料提供基础。

附图说明

图1为Cu-5vol.％Y₂O₃和Cu-5vol.％Y₂O₃-0.4wt.％Ti复合粉末的扫描电子背散射图片；其中，(a)未经热处理的Cu-5vol.％Y₂O₃复合粉末； (b)经900℃热处理1小时后的Cu-5vol.％Y₂O₃复合粉末；(c)未经热处理的Cu-5vol.％Y₂O₃-0.4wt.％Ti复合粉末；(d)经900℃热处理1小时后的Cu-5vol.％Y₂O₃-0.4wt.％Ti复合粉末；

图2为未经热处理的Cu-5vol.％Y₂O₃和Cu-5vol.％Y₂O₃-0.4wt.％Ti复合粉末的透射明暗场照片；其中，(a)是未经热处理的Cu-5vol.％Y₂O₃复合粉末的透射明场照片；(b)是(a)所对应的透射暗场照片；(c) 是未经热处理的Cu-5vol.％Y₂O₃-0.4wt.％Ti复合粉末的透射明场照片； (d)是(c)所对应的透射暗场照片；其中，(a)和(c)中的插图是其选区电子衍射图谱；

图3为热处理后的Cu-5vol.％Y₂O₃和Cu-5vol.％Y₂O₃-0.4wt.％Ti复合粉末的透射明暗场照片；其中，(a)是热处理后的Cu-5vol.％Y₂O₃复合粉末的透射明场照片；(b)是(a)所对应的透射暗场照片；(c)是热处理后的Cu-5vol.％Y₂O₃-0.4wt.％Ti复合粉末的透射明场照片；(d) 是(c)所对应的透射暗场照片；热处理温度和时间分别为900℃和1 小时；

图4为复合粉末显微硬度随热处理温度变化图；热处理时间为1 小时。

具体实施方式

实施例1

一种高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末，原料配比为：5vol.％纳米Y₂O₃粉，0.4wt.％TiH₂粉，其余为Cu粉。

其制备方法，包括如下步骤：

对球磨后的混合原料进行热处理，采用的热处理参数为：热处理温度范围为300-1000℃，升温速率10度/分，达到设定的热处理温度后，保温1小时，然后以10度/分的冷却速度使温度降到500度，之后随炉冷却至室温；热处理温度低于500度时，降温过程为随炉冷却；升温、保温和降温过程中的真空度均保持在3～5×10^-2Pa。

实施例2

与实施例1不同之处在于，原料配比为：5vol.％纳米Y₂O₃粉， 0.2wt.％TiH₂粉，其余为Cu粉。

实施例3

与实施例1不同之处在于，原料配比为：5vol.％纳米Y₂O₃粉， 0.8wt.％TiH₂粉，其余为Cu粉。

对比例

与实施例1不同之处在于，原料配比为：5vol.％纳米Y₂O₃粉，其余为Cu粉。

利用环氧树脂和硬化剂，将对比例及实施例1中未经热处理的球磨原料和经热处理后的球磨原料镶成直径30mm和高为15mm的圆柱；待圆柱硬化后，对圆柱进行机械打磨和抛光处理；机械打磨过程中，首先，依次使用#300、#600、#1200、#2000和#5000SiC砂纸对圆柱进行打磨，随后，用5μm的金刚石悬浊液对圆柱作进一步处理，最后，使用50nm的SiC悬浊液对圆柱作最后抛光处理，抛光时，磨抛机的转动速度为150转/分钟。

把经抛光后的圆柱置于扫描电镜下，利用被散射电子成像模式拍摄照片，照片如图1所示；利用透射电镜进行显微组织观察，照片结果如图2和图3所示。由图1、2和3可知，Ti的掺杂极大地提高了纳米Y₂O₃颗粒和纳米Cu晶粒的热稳定性，经900℃热处理1小时后，掺杂TiH₂的Cu-5vol.％Y₂O₃-0.4wt.％Ti复合粉末样品的Y₂O₃颗粒和Cu 晶粒尺寸几乎保持不变，而未掺杂TiH₂的Cu-5vol.％Y₂O₃复合粉末样品的Y₂O₃颗粒和Cu晶粒则发生了显著粗化。

将对比例及实施例1-3中的未经热处理的球磨原料和经热处理后的球磨原料进行硬度测量，每个样品至少测量10个数据点，下压力为25g，加载时间为15s，测量的硬度值随退火温度的变化情况如图4所示，显示了TiH₂的掺杂量对热处理的球磨粉末的显微硬度的影响，在一定温度下热处理1小时后，含TiH₂的粉末硬度要明显高于不含TiH₂的粉末硬度；当TiH₂的掺杂量低于0.2wt.％时，球磨粉末在 800℃热处理时开始软化；当TiH₂的添加量为0.4wt.％时，经热处理后的粉末硬度几乎未发生变化；当TiH₂的添加量达到0.8wt.％时，热处理的粉末硬度结果与添加量为0.4wt.％TiH₂的情况类似。

Claims

1.一种高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末，其特征在于，原料包括：Cu粉、纳米Y₂O₃粉和TiH₂粉；原料配比为：0.5vol.％-5.5vol.％纳米Y₂O₃粉，0.05wt.％-1wt.％TiH₂粉，其余为Cu粉。

2.根据权利要求1所述的高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末，其特征在于，原料配比为：5vol.％纳米Y₂O₃粉，0.4wt.％TiH₂粉，其余为Cu粉。

3.一种如权利要求1或2所述的高热稳定性氧化钇弥散强化纳米结构铜基复合粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

c.首先用行星球磨机在低运行速度＝200转/分下充分混合原料6小时，然后行星球磨机在高运行速度＝500转/分下对混合原料球磨12小时，高速球磨期间无间歇；