CN108728688B - 铜合金基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铜合金基复合材料及其制备方法。根据本发明实施例的铜合金基复合材料包括铜合金基体及依次包覆在铜合金基体外侧的第一表面复合层和第二表面复合层，采用多元组分配比、半连续浇铸成型、喷射沉积、热轧及组合热处理制备铜合金基复合材料。本发明与现有技术相比，根据本发明实施例的铜合金基复合材料具有优异的导热性能、机械性能、耐高温性能、耐磨性能。

Description

铜合金基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种铜合金基复合材料及其制备方法。
背景技术
在实际工业生产、工程应用、设备集成中，高温、腐蚀、热机械载荷大、冷热应力交变循环的复杂环境普遍存在，例如钢铁冶炼与有色金属制造的连铸过程、石油化工或电热管道输送、设备集成中的热交换过程等。此类复杂应用环境要求所应用的组件材料具有优异的综合性能，特别是力学性能、耐腐蚀性能、耐磨性能、导热性能和高温稳定性。如用于金属材料连铸的铜质结晶轮，由于结晶轮直接与高温金属液接触，且长期不断受到冷却水与高温金属液的冷热应力作用，组件材料容易产生表面裂纹、局部烧蚀和变形，高温磨损较重，严重降低铸造质量和组件使用寿命。
如何提高应用于此类复杂环境中组件材料的综合性能具有重要意义。一直以来，该领域通常采用T2纯铜或高铜合金材料，T2纯铜与高铜合金具有较好的塑性，但是材料的高温性能和高温稳定性如高温强度、高温导热性能、高温硬度等不理想。近来，开始出现采用陶瓷纤维或碳材料增强的铜基复合材料的制备方法。陶瓷纤维增强的铜基复合材料具有较好的拉伸强度性能，但是由于难以完全均匀地进行增强相的分散，组织上存在较严重的微观偏析和团簇，导致复合材料的塑性和疲劳强度性能较差，且存在较大的裂纹倾向性和腐蚀倾向性。碳材料增强的铜基复合材料同样存在分散的问题，且微观性能优异的碳材料应用于传统合金中的增强机理和增强效果仍然需要进一步验证和研究。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种铜合金基复合材料及其制备方法。
根据本发明的一方面，一种铜合金基复合材料，包括铜合金基体及依次包覆在铜合金基体外侧的第一表面复合层和第二表面复合层；其中，所述铜合金基体按重量百分比包含如下元素：锆Zr 0.001-0.01％、钪Sc 0.001％-0.2％，银Ag 0.001％-0.3％，铬Cr0.02％-0.08％，铷Rb 0.001％-0.08％，锶Sr 0.001％-0.08％，钇Y 0.001％-0.05％，铌Nb0.001％-0.005％，钕Nd 0.001％-0.005％，镱Yb 0.001％-0.02％，余量为铜Cu，其中，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.01％-0.028％，Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.01％-0.058％，Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Ag的重量百分比的1/3合计为0.002％-0.15％；所述第一表面复合层按重量百分比包含如下组分：镍Ni 2.5％-8.5％，硅Si 0.02％-0.15％，钴Co 0.02％-2.8％，钼Mo0.05％-1.2％，铬Cr 0.2％-1.5％，纳米氮化铝AlN 0.01％-0.05％，余量为铜Cu；所述第二表面复合层按重量百分比包含以下组分：镍Ni 5.5％-8.5％，硅Si 0.8％-1.25％，钴Co0.05％-0.15％，铬Cr 0.5％-2.5％，纳米氧化锆ZrO2 0.01％-0.05％，纳米碳化钨WC0.02％-0.08％，余量为铜Cu。
根据本发明的示例性实施例，所述铜合金基体的晶粒平均粒径小于或者等于25μm，所述铜合金基体的抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于158HV，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.2×10-6/℃；所述第一表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于455MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于285HV，500℃导热系数大于或者等于420W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.5×10-6/℃；所述第二表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于480MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于465HV，500℃导热系数大于或者等于399W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。
根据本发明的示例性实施例，所述铜合金基复合材料的抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。
根据本发明的另一方面，一种铜合金基复合材料的制备方法，所述方法包括：
制备铜中间合金，铜中间合金中铜含量为85％，将各铜中间合金制造成直径为10mm的球状颗粒；
按重量百分比将如下元素：锆Zr 0.001-0.01％、钪Sc 0.001％-0.2％，银Ag0.001％-0.3％，铬Cr 0.02％-0.08％，铷Rb 0.001％-0.08％，锶Sr 0.001％-0.08％，钇Y0.001％-0.05％，铌Nb 0.001％-0.005％，钕Nd 0.001％-0.005％，镱Yb 0.001％-0.02％，余量为铜Cu，其中，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.01％-0.028％，Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.01％-0.058％，Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Ag的重量百分比的1/3合计为0.002％-0.15％；进行配料，以此准备铜中间合金颗粒与铜锭；
将所述铜锭在真空条件下快速熔化，加入各铜中间合金颗粒，得到铜合金基体熔体；
将所述铜合金基体熔体流入真空倾动式保温炉中，保温至1250℃，电磁搅拌5min-10min，同时向铜合金基体熔体中通入氮气和环保精炼剂进行精炼，静置30min，除气除渣，再静置15min；
使铜合金基体熔体通过加热铸型器和冷却器，对铜合金基体熔体进行半连续浇铸成型，得到100mm-500mm厚的铜合金板铸锭；
将铜合金板铸锭加热至940±10℃，保温55min-90min，得到铜合金基体；
按重量百分比将如下组分：镍Ni 2.5％-8.5％，硅Si 0.02％-0.15％，钴Co0.02％-2.8％，钼Mo 0.05％-1.2％，铬Cr 0.2％-1.5％，纳米氮化铝AlN 0.01％-0.05％，余量为铜Cu，进行配料，以此准备第一表面复合层所需各组分；按重量百分比将以下组分：镍Ni5.5％-8.5％，硅Si 0.8％-1.25％，钴Co 0.05％-0.15％，铬Cr 0.5％-2.5％，纳米氧化锆ZrO20.01％-0.05％，纳米碳化钨WC 0.02％-0.08％，余量为铜Cu，以此准备第二表面复合层所需各组分；
将第一表面复合层各组分进行熔炼，保温至1280℃，除气精炼，得到第一复合合金熔体，将第一复合合金熔体喷射沉积在铜合金基体上，形成第一表面复合层；
将第二表面复合层各组分进行熔炼，保温至1300℃，除气精炼，得到第二复合合金熔体，将第二复合合金熔体喷射沉积在第一表面复合层，形成第二表面复合层；
对铜合金基复合铸坯进行热轧，得到厚度50mm-100mm的铜合金板坯；
第一热处理：955±10℃，保温60min-110min，水冷至室温；
第二热处理：将工件加温455℃-495℃，保温120min-180min，空冷至室温，得到铜合金基复合材料。
根据本发明的示例性实施例，所述铜合金基体的快速熔化温度为1260℃-1350℃，半连续浇铸温度为1300℃-1350℃，浇铸速度0.2m/s-0.5m/s，浇铸时采用惰性气体保护。
根据本发明的示例性实施例，所述铜合金基复合铸坯的热轧温度为950±10℃，道次加工率25％-38％。
根据本发明的示例性实施例，所述第一复合熔体喷射沉积温度为480℃，第二复合熔体喷射沉积温度为510℃。
根据本发明的示例性实施例，所述第一表面复合层组分中镍Ni、硅Si、钴Co、钼Mo、铬Cr及第二表面复合层组分中镍Ni、硅Si、钴Co、铬Cr以直径为5mm中间合金颗粒的形式加入，中间合金中Cu重量百分比为85％。
根据本发明的示例性实施例，所述第一表面复合层组分中纳米氮化铝AlN的平均粒径为20nm-25nm，第二表面复合层组分中纳米氧化锆ZrO2的平均粒径为20nm-28nm，纳米碳化钨WC的平均粒径为20nm-25nm。
与现有技术相比，根据本发明的制备方法，采用多元组分配比、半连续浇铸成型、喷射沉积、热轧及组合热处理制备铜合金基复合材料。根据本发明的铜合金基复合材料，包括相互冶金结合的铜合金基体及第一表面复合层和第二表面复合层；铜合金基体与各层表面复合层均具有优异的导热性能、机械性能、耐高温性能。
具体实施方式
为使本发明技术方案和优点更加清楚，通过以下几个具体实施例对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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1：
一、铜合金基体用中间合金制备
制备铜中间合金，铜中间合金中铜含量为85％，将各铜中间合金制造成直径为10mm的球状颗粒；
二、铜合金基体配料
按重量百分比包含如下元素：锆Zr 0.005％、钪Sc 0.001％，银Ag 0.001％，铬Cr0.02％，铷Rb 0.005％，锶Sr 0.005％，钇Y 0.008％，铌Nb 0.001％，钕Nd 0.002％，镱Yb0.002％，余量为铜Cu；进行配料，以此准备铜中间合金颗粒与铜锭；
三、铜合金基体熔炼、精炼
将所述铜锭在真空条件下快速熔化，铜合金基体的熔炼温度为1260℃-1350℃，得到铜熔体，加入各铜中间合金颗粒，得到铜合金基体熔体；
将所述铜合金基体熔体流入真空倾动式保温炉中，保温至1250℃，电磁搅拌10min，同时向铜合金基体熔体中通入氮气和环保精炼剂进行精炼，静置30min，除气除渣，再静置15min；
四、铜合金基体熔体浇铸
使铜合金基体熔体通过加热铸型器和冷却器，对铜合金基体熔体进行半连续浇铸成型，半连续浇铸温度为1300℃-1350℃，浇铸速度0.5m/s，浇铸时采用惰性气体保护，得到100mm-500mm厚的铜合金板铸锭；
将铜合金板铸锭加热至940±10℃，保温55min，得到铜合金基体；
五、第一复合层制备
按重量百分比将如下组分：镍Ni 2.5％，硅Si 0.02％，钴Co 0.02％，钼Mo0.05％，铬Cr 0.2％，平均粒径为20nm的纳米氮化铝AlN 0.01％，余量为铜Cu，进行配料，以此准备第一表面复合层所需各组分；镍Ni、硅Si、钴Co、钼Mo、铬Cr以直径为5mm中间合金颗粒的形式加入，中间合金中Cu占85wt％；
将上述第一表面复合层各组分进行熔炼，保温至1280℃，除气精炼，得到第一复合合金熔体，将第一复合合金熔体喷射沉积在铜合金基体上，喷射沉积温度为480℃，形成第一表面复合层；
六、第二复合层制备
按重量百分比将以下组分：镍Ni 5.5％，硅Si 0.8％，钴Co 0.05％，铬Cr 0.5％，平均粒径为20nm纳米氧化锆ZrO2 0.01％，平均粒径为25nm的纳米碳化钨WC 0.02％，余量为铜Cu，以此准备第二表面复合层所需各组分；镍Ni、硅Si、钴Co、钼Mo、铬Cr以直径为5mm中间合金颗粒的形式加入，中间合金中Cu占85wt％；
将上述第二表面复合层各组分进行熔炼，保温至1300℃，除气精炼，得到第二复合合金熔体，将第二复合合金熔体喷射沉积在第一表面复合层，喷射沉积温度为510℃，形成第二表面复合层；
七、铜合金基复合材料热轧
对上述铜合金基复合铸坯进行热轧，所述铜合金基复合铸坯的热轧温度为950±10℃，道次加工率25％-38％，得到厚度50mm-100mm的铜合金板坯；
八、组合热处理
第一热处理：955±10℃，保温60min，水冷至室温；
第二热处理：将工件加温455℃，保温120min，空冷至室温，得到铜合金基复合材料。
根据本实施例的铜合金基体，晶粒平均粒径小于或者等于25μm，抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于158HV，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.2×10-6/℃。
根据本实施例铜合金基复合材料，第一表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于455MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于285HV，500℃导热系数大于或者等于420W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.5×10-6/℃。
根据本实施例铜合金基复合材料，第二表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于480MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于465HV，500℃导热系数大于或者等于399W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。
根据本实施例铜合金基复合材料，铜合金基复合材料的抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。
实施例2：
一、铜合金基体用中间合金制备
制备铜中间合金，铜中间合金中铜含量为85％，将各铜中间合金制造成直径为10mm的球状颗粒；
二、铜合金基体配料
按重量百分比包含如下元素：锆Zr 0.006％、钪Sc 0.005％，银Ag 0.002％，铬Cr0.02％，铷Rb 0.008％，锶Sr 0.006％，钇Y 0.009％，铌Nb 0.002％，钕Nd 0.002％，镱Yb0.003％，余量为铜Cu；进行配料，以此准备铜中间合金颗粒与铜锭；
三、铜合金基体熔炼、精炼
将所述铜锭在真空条件下快速熔化，铜合金基体的熔炼温度为1260℃-1350℃，得到铜熔体，加入各铜中间合金颗粒，得到铜合金基体熔体；
将所述铜合金基体熔体流入真空倾动式保温炉中，保温至1250℃，电磁搅拌10min，同时向铜合金基体熔体中通入氮气和环保精炼剂进行精炼，静置30min，除气除渣，再静置15min；
四、铜合金基体熔体浇铸
使铜合金基体熔体通过加热铸型器和冷却器，对铜合金基体熔体进行半连续浇铸成型，半连续浇铸温度为1300℃-1350℃，浇铸速度0.3m/s，浇铸时采用惰性气体保护，得到100mm-500mm厚的铜合金板铸锭；
将铜合金板铸锭加热至940±10℃，保温55min-90min，得到铜合金基体；
五、第一复合层制备
按重量百分比将如下组分：镍Ni 5.5％，硅Si 0.08％，钴Co 0.15％，钼Mo0.08％，铬Cr 0.5％，平均粒径为22nm的纳米氮化铝AlN 0.02％，余量为铜Cu，进行配料，以此准备第一表面复合层所需各组分；镍Ni、硅Si、钴Co、钼Mo、铬Cr以直径为5mm中间合金颗粒的形式加入，中间合金中Cu占85wt％；
将上述第一表面复合层各组分进行熔炼，保温至1280℃，除气精炼，得到第一复合合金熔体，将第一复合合金熔体喷射沉积在铜合金基体上，喷射沉积温度为480℃，形成第一表面复合层；
六、第二复合层制备
按重量百分比将以下组分：镍Ni 6.5％，硅Si 0.9％，钴Co 0.08％，铬Cr 0.9％，平均粒径为25nm纳米氧化锆ZrO2 0.02％，平均粒径为22nm的纳米碳化钨WC 0.05％，余量为铜Cu，以此准备第二表面复合层所需各组分；镍Ni、硅Si、钴Co、铬Cr以直径为5mm中间合金颗粒的形式加入，中间合金中Cu占85wt％；
将上述第二表面复合层各组分进行熔炼，保温至1300℃，除气精炼，得到第二复合合金熔体，将第二复合合金熔体喷射沉积在第一表面复合层，喷射沉积温度为510℃，形成第二表面复合层；
七、铜合金基复合材料热轧
对上述铜合金基复合铸坯进行热轧，所述铜合金基复合铸坯的热轧温度为950±10℃，道次加工率25％-38％，得到厚度50mm-100mm的铜合金板坯；
八、组合热处理
第一热处理：955±10℃，保温80min，水冷至室温；
第二热处理：将工件加温475℃，保温150min，空冷至室温，得到铜合金基复合材料。
根据本实施例的铜合金基体，晶粒平均粒径小于或者等于25μm，抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于158HV，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.2×10-6/℃。
根据本实施例铜合金基复合材料，第一表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于455MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于285HV，500℃导热系数大于或者等于420W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.5×10-6/℃。
根据本实施例铜合金基复合材料，第二表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于480MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于465HV，500℃导热系数大于或者等于399W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。
根据本实施例铜合金基复合材料的抗拉强度大于或者等于460MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，500℃导热系数大于或者等于420W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.5×10-6/℃。
实施例3：
一、铜合金基体用中间合金制备
制备铜中间合金，铜中间合金中铜含量为85％，将各铜中间合金制造成直径为10mm的球状颗粒；
二、铜合金基体配料
按重量百分比包含如下元素：锆Zr 0.008％、钪Sc 0.01％，银Ag 0.003％，铬Cr0.05％，铷Rb 0.01％，锶Sr 0.008％，钇Y 0.01％，铌Nb 0.005％，钕Nd 0.003％，镱Yb0.005％，余量为铜Cu；进行配料，以此准备铜中间合金颗粒与铜锭；
三、铜合金基体熔炼、精炼
将所述铜锭在真空条件下快速熔化，铜合金基体的熔炼温度为1260℃-1350℃，得到铜熔体，加入各铜中间合金颗粒，得到铜合金基体熔体；
将所述铜合金基体熔体流入真空倾动式保温炉中，保温至1250℃，电磁搅拌10min，同时向铜合金基体熔体中通入氮气和环保精炼剂进行精炼，静置30min，除气除渣，再静置15min；
四、铜合金基体熔体浇铸
使铜合金基体熔体通过加热铸型器和冷却器，对铜合金基体熔体进行半连续浇铸成型，半连续浇铸温度为1300℃-1350℃，浇铸速度0.2m/s，浇铸时采用惰性气体保护，得到100mm-500mm厚的铜合金板铸锭；
将铜合金板铸锭加热至940±10℃，保温90min，得到铜合金基体；
五、第一复合层制备
按重量百分比将如下组分：镍Ni 8.5％，硅Si 0.15％，钴Co 2.8％，钼Mo 1.2％，铬Cr 1.5％，平均粒径为23nm的纳米氮化铝AlN 0.05％，余量为铜Cu，进行配料，以此准备第一表面复合层所需各组分；镍Ni、硅Si、钴Co、钼Mo、铬Cr以直径为5mm中间合金颗粒的形式加入，中间合金中Cu占85wt％；
将上述第一表面复合层各组分进行熔炼，保温至1280℃，除气精炼，得到第一复合合金熔体，将第一复合合金熔体喷射沉积在铜合金基体上，喷射沉积温度为480℃，形成第一表面复合层；
六、第二复合层制备
按重量百分比将以下组分：镍Ni 8.5％，硅Si 1.25％，钴Co 0.15％，铬Cr 2.5％，平均粒径为23nm纳米氧化锆ZrO2 0.05％，平均粒径为22nm的纳米碳化钨WC 0.08％，余量为铜Cu，以此准备第二表面复合层所需各组分；镍Ni、硅Si、钴Co、钼Mo、铬Cr以直径为5mm中间合金颗粒的形式加入，中间合金中Cu占85wt％；
将上述第二表面复合层各组分进行熔炼，保温至1300℃，除气精炼，得到第二复合合金熔体，将第二复合合金熔体喷射沉积在第一表面复合层，喷射沉积温度为510℃，形成第二表面复合层；
七、铜合金基复合材料热轧
对上述铜合金基复合铸坯进行热轧，所述铜合金基复合铸坯的热轧温度为950±10℃，道次加工率25％-38％，得到厚度50mm-100mm的铜合金板坯；
八、组合热处理
第一热处理：955±10℃，保温110min，水冷至室温；
第二热处理：将工件加温495℃，保温180min，空冷至室温，得到铜合金基复合材料。
根据本实施例的铜合金基体，晶粒平均粒径小于或者等于25μm，抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于158HV，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.2×10-6/℃。
根据本实施例铜合金基复合材料，第一表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于455MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于285HV，500℃导热系数大于或者等于420W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.5×10-6/℃。
根据本实施例铜合金基复合材料，第二表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于480MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于465HV，500℃导热系数大于或者等于399W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。
根据本实施例铜合金基复合材料的抗拉强度大于或者等于480MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，500℃导热系数大于或者等于410W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.5×10-6/℃。
实施例4：
基于本申请主旨，采用实施例1、实施例2和实施例3制备的铜合金基复合材料，通过机加工成型，制造金属连铸用结晶器。
在相同条件下，对采用本申请实施例制备的材料与对比结晶轮用材料(T2)进行相关性能试验(见表1)，对采用本申请实施例材料制造的结晶轮与与对比结晶轮进行相关性能试验(见表2)。
表1对比结晶轮用铜材(T2)与实施例铜合金基复合材料室温力学性能
材料 拉伸强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％) 硬度(HV)
对比例T2 255 220 12 94
实施例1 465 315 25 468
实施例2 472 325 28 472
实施例3 482 325 26 477
由表1可见，实施例1、2、3制备的铜合金基复合材料与对比例相比，拉伸强度平均提高85.5％，屈服强度平均提高46.2％，延伸率平均提高119.4％，硬度平均提高402％
表2对比结晶轮用铜材(T2)与实施例铜合金基复合材料高温(300℃)力学性能
Figure GDA0002281427440000101
由表2可见，对采用对比例(T2)材料和实施例1、2和3中制备的铜合金基复合材料在相同条件下进行相关性能检测试验，采用实施例1、2、3制备的铜合金基复合材料，与对比例材料相比，高温拉伸强度平均提高81.7％，高温屈服强度平均升高75.8％，裂纹敏感性、疲劳性能显著降低，高温硬度显著提高。
表3对比结晶轮用铜材(T2)与实施例铜合金基复合材料物理性能
Figure GDA0002281427440000111
由表3可见，对采用对比例(T2)材料和实施例1、2和3中制备的铜合金基复合材料在相同条件下进行相关性能检测试验，采用实施例1、2、3制备的铜合金基复合材料，与对比例材料相比，高温热导率平均提高122.5％，软化温度显著降低，晶粒尺寸平均减小48.1％，线膨胀系数平均降低7.45％。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铜合金基复合材料，其特征在于，所述铜合金基复合材料包括铜合金基体及依次包覆在铜合金基体外侧的第一表面复合层和第二表面复合层；其中，所述铜合金基体按重量百分比包含如下元素：锆Zr 0.001-0.01％、钪Sc 0.001％-0.2％，银Ag 0.001％-0.3％，铬Cr 0.02％-0.08％，铷Rb 0.001％-0.08％，锶Sr 0.001％-0.08％，钇Y 0.001％-0.05％，铌Nb 0.001％-0.005％，钕Nd0.001％-0.005％，镱Yb 0.001％-0.02％，余量为铜Cu，其中，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.01％-0.028％，Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.01％-0.058％，Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Ag的重量百分比的1/3合计为0.002％-0.15％；所述第一表面复合层按重量百分比包含如下组分：镍Ni 2.5％-8.5％，硅Si 0.02％-0.15％，钴Co 0.02％-2.8％，钼Mo 0.05％-1.2％，铬Cr 0.2％-1.5％，纳米氮化铝AlN 0.01％-0.05％，余量为铜Cu；所述第二表面复合层按重量百分比包含以下组分：镍Ni 5.5％-8.5％，硅Si 0.8％-1.25％，钴Co 0.05％-0.15％，铬Cr 0.5％-2.5％，纳米氧化锆ZrO2 0.01％-0.05％，纳米碳化钨WC 0.02％-0.08％，余量为铜Cu。
2.根据权利要求1所述的铜合金基复合材料，其特征在于，所述铜合金基体的晶粒平均粒径小于或者等于25μm，所述铜合金基体的抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于158HV，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.2×10-6/℃；所述第一表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于455MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于285HV，500℃导热系数大于或者等于420W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.5×10-6/℃；所述第二表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于480MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于465HV，500℃导热系数大于或者等于399W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。
3.根据权利要求1-2任一所述的铜合金基复合材料，其特征在于，所述铜合金基复合材料的抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。
4.一种铜合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
制备铜中间合金，铜中间合金中铜含量为85％，将各铜中间合金制造成直径为10mm的球状颗粒；
按重量百分比将如下元素：锆Zr 0.001-0.01％、钪Sc 0.001％-0.2％，银Ag 0.001％-0.3％，铬Cr 0.02％-0.08％，铷Rb 0.001％-0.08％，锶Sr 0.001％-0.08％，钇Y 0.001％-0.05％，铌Nb 0.001％-0.005％，钕Nd 0.001％-0.005％，镱Yb 0.001％-0.02％，余量为铜Cu，其中，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.01％-0.028％，Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.01％-0.058％，Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Ag的重量百分比的1/3合计为0.002％-0.15％；进行配料，以此准备铜中间合金颗粒与铜锭；
将所述铜锭在真空条件下快速熔化，加入各铜中间合金颗粒，得到铜合金基体熔体；
将所述铜合金基体熔体流入真空倾动式保温炉中，保温至1250℃，电磁搅拌5min-10min，同时向铜合金基体熔体中通入氮气和环保精炼剂进行精炼，静置30min，除气除渣，再静置15min；
使铜合金基体熔体通过加热铸型器和冷却器，对铜合金基体熔体进行半连续浇铸成型，得到100mm-500mm厚的铜合金板铸锭；
将铜合金板铸锭加热至940±10℃，保温55min-90min，得到铜合金基体；
按重量百分比将如下组分：镍Ni 2.5％-8.5％，硅Si 0.02％-0.15％，钴Co 0.02％-2.8％，钼Mo 0.05％-1.2％，铬Cr 0.2％-1.5％，纳米氮化铝AlN 0.01％-0.05％，余量为铜Cu，进行配料，以此准备第一表面复合层所需各组分；按重量百分比将以下组分：镍Ni5.5％-8.5％，硅Si 0.8％-1.25％，钴Co 0.05％-0.15％，铬Cr 0.5％-2.5％，纳米氧化锆ZrO20.01％-0.05％，纳米碳化钨WC 0.02％-0.08％，余量为铜Cu，以此准备第二表面复合层所需各组分；
将第一表面复合层各组分进行熔炼，保温至1280℃，除气精炼，得到第一复合合金熔体，将第一复合合金熔体喷射沉积在铜合金基体上，形成第一表面复合层；
将第二表面复合层各组分进行熔炼，保温至1300℃，除气精炼，得到第二复合合金熔体，将第二复合合金熔体喷射沉积在第一表面复合层，形成第二表面复合层；
对铜合金基复合铸坯进行热轧，得到厚度50mm-100mm的铜合金板坯；
第一热处理：955±10℃，保温60min-110min，水冷至室温；
第二热处理：将工件加温455℃-495℃，保温120min-180min，空冷至室温，得到铜合金基复合材料。
5.根据权利要求4所述的铜合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜合金基体的快速熔化温度为1260℃-1350℃，半连续浇铸温度为1300℃-1350℃，浇铸速度0.2m/s-0.5m/s，浇铸时采用惰性气体保护。
6.根据权利要求4所述的铜合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜合金基复合铸坯的热轧温度为950±10℃，道次加工率25％-38％。
7.根据权利要求4所述的铜合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一复合熔体喷射沉积温度为480℃，第二复合熔体喷射沉积温度为510℃。
8.根据权利要求4所述的铜合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一表面复合层组分中镍Ni、硅Si、钴Co、钼Mo、铬Cr及第二表面复合层组分中镍Ni、硅Si、钴Co、铬Cr以直径为5mm中间合金颗粒的形式加入，中间合金中Cu重量百分比为85％。
9.根据权利要求4所述的铜合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一表面复合层组分中纳米氮化铝AlN的平均粒径为20nm-25nm，第二表面复合层组分中纳米氧化锆ZrO2的平均粒径为20nm-28nm，纳米碳化钨WC的平均粒径为20nm-25nm。
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