CN115961168A - 一种高强高热导层级纳米结构铜钨合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高强高热导层级纳米结构铜钨(Cu‑W)合金及其制备方法，本发明通过溶胶‑凝胶反应制备凝胶，随后通过干燥、煅烧、分段低温氢气还原制备出一种纳米钨颗粒在Cu中均匀分布的W@Cu核壳结构复合粉体，再经过致密化烧结，得到一种高性能的纳米W颗粒增强Cu合金。合金中W颗粒的尺寸为3‑10nm且均匀分布于超细晶Cu基体中，大幅提高Cu合金的强度和耐高温性能，其室温抗拉强度可达700MPa、热导率达370Wm‑1K‑1，300℃的抗拉强度可达到638MPa，而且在800℃退火1小时后能够保持晶粒尺寸和力学性能稳定，具有优异的高温稳定性，在核聚变堆高热负荷部件、电子元器件、焊接电极等领域具有很好应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及高性能铜合金制备技术领域，特别提供一种高强度高热导层级纳米结构铜钨合金及其制备方法，尤其是聚变堆面向等离子体部件的铜合金热沉材料的制备方法。
背景技术
铜(Cu)具有优良的导热性能、导电性能及良好的力学性能，广泛应用于电力、电子、航空航天、国防等领域。在核聚变堆中，面向等离子体部件采用钨(W)和铜合金连接的结构，需要承受极高热负荷冲击。为了实现可靠导出面向等离子体部件表面的热负荷，要求铜合金材料需要具有高的热导率、高强度和良好的高温稳定性。
沉淀硬化的CuCrZr合金在中低温度下具有较高的热导率和良好的力学性能，是目前国内外磁约束核聚变装置的主要候选热沉材料，但CuCrZr合金在高温下会发生过时效，导致其强度急剧下降。弥散强化的Cu-Al2O3合金具有较高的热导率、高温强度及软化温度，但高温塑性低、焊接性能差。在弥散强化相中，金属W具有高热导率、高电导率、高熔点、低氚滞留以及与Cu互不相溶的优点，因此Cu-W合金或复合材料有望成为聚变堆的候选热沉材料。目前研究的Cu-W合金或复合材料主要采用W纤维和W颗粒增强方式，但常规方法制备的Cu-W合金采用微米尺度的W纤维或较大的W颗粒，增强效果不够理想。近年来，通过在Cu中添加纳米尺寸的W颗粒，实现了比微米W颗粒更好的强化效果。例如，Tianxing Lu等在题为“Enhanced mechanical and electrical properties of in situ synthesized nano-tungsten dispersion-strengthened copper alloy”(《Materials Science andEngineering A》2021年第799卷)的论文中，先将铜粉和WO3粉体球磨再通过氢气还原和高温烧结制备的Cu-W合金中，W颗粒平均尺寸为32nm，Cu-W合金的抗拉强度为596MPa、延伸率7.7％，电导率为84％IACS。J.G.Ke等在题为“Strengthening of copper withhomogeneous dispersion of nanoscale tungsten particles fabricated by sparkplasma sintering”(《Materials Science and Engineering A》2021年第818卷)的论文中公开了通过球磨法制备的纳米W颗粒增强Cu合金，合金中W颗粒的平均尺寸为43nm、原子百分比为2-8％，其中Cu-8at％合金的室温抗拉强度不到500MPa、热导率为307Wm-1K-1。但是，上述Cu-W合金中W颗粒的尺寸仍然还不够细小，需要添加较高含量的W颗粒才能达到高的强度，而高的W含量则会降低热导率，导致不能同时兼顾高强度和高热导率。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种高强高热导层级纳米结构铜钨合金制备方法，能够使Cu-W合金中的W颗粒平均粒径细化至10nm以下且均匀分布在超细晶Cu基体中，同时超细晶Cu基体内存在纳米级孪晶结构，使Cu-W合金具有高强度、优异的高温稳定和优良的导热/导电性能。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种高强高热导层级纳米结构铜钨合金的制备方法，包括下述步骤：
S1、先将柠檬酸、硝酸铜添加到去离子水中，在室温下搅拌至完全溶解，再在溶液中加入仲钨酸铵或偏钨酸铵，其中仲钨酸铵或偏钨酸铵中钨原子与硝酸铜中铜原子的摩尔比为(0.5-3.0):(99.5-97)，柠檬酸与钨原子、铜原子总和的摩尔比为(0.5-3):1，加热搅拌，得到混合溶液；
S2、在混合溶液中加入聚乙二醇，继续加热搅拌至形成前驱体凝胶，将前驱体凝胶加热干燥，得到干凝胶，将干凝胶在520-620℃煅烧3-6小时，得到铜钨氧化物复合粉体；
S3、将铜钨氧化物复合粉体放入管式还原炉中，在还原炉管的排气端放置干燥剂吸收还原产生的水汽，先在280-420℃氢气还原0.5-3h，随后再升温至550-620℃氢气还原1-3小时，得到纳米W颗粒在Cu中均匀分布的W@Cu复合粉体；
S4、将W@Cu复合粉体在真空或保护性气氛下进行加压烧结，得到纳米W颗粒在超细晶Cu基体中均匀分布的高强高热导层级纳米结构铜钨合金。
作为高强高热导纳米钨颗粒增强铜合金的制备方法进一步的改进：
优选的，步骤S1和S2中在70-90℃加热搅拌1-3小时。
优选的，步骤S2中聚乙二醇的添加量为高强高热导层级纳米结构铜钨合金总重量的0.2-5％。
优选的，步骤S2中前驱体凝胶在120-180℃加热干燥5-15小时，得到干凝胶。
优选的，步骤S3中所述干燥剂为生石灰或金属钙。
优选的，步骤S3和S4中所述纳米W颗粒的平均尺寸为3-10nm。
优选的，步骤S4中所述加压烧结为放电等离子体烧结、热压烧结、热等静压烧结、热挤压方式中的一种或两种以上的组合。
优选的，步骤S4中所述加压烧结的压力为30-200MPa，烧结温度为850℃-1000℃。
优选地，步骤S4中所述超细晶Cu基体的平均晶粒尺寸为0.1～1微米，超细晶Cu基体内存在纳米级孪晶。
本发明的目的之二是提供上述任意一项的制备方法制得的高强高热导层级纳米结构铜钨合金。
本发明相比现有技术的有益效果在于：
1)本发明通过将硝酸铜、仲钨酸铵、柠檬酸、聚乙二醇等原料按照比例溶解于水中得到混合溶液，通过加热搅拌控制溶胶凝胶反应得到凝胶，随后通过干燥、煅烧得到铜钨复合氧化物，再经过分段低温氢气还原制备出一种纳米W颗粒在Cu中均匀分布的核壳结构W@Cu复合粉体，再经过致密化烧结，得到一种高性能的纳米W颗粒增强Cu合金材料。
铜钨氧化物复合粉体在低温分段氢气还原中，先在280-420℃使复合粉体中的氧化铜完全还原，随后再在550-620℃使氧化钨还原，并采用干燥剂吸收反应产生的水汽，能够有效避免钨颗粒长大，获得纳米W颗粒均匀分布的核壳结构复合粉体。第二阶段的还原温度(550-620℃)，也比常规还原温度低。
本发明通过溶胶凝胶反应实现原料的分子级别混合，使W颗粒非常均匀地分散到Cu粉中，结合分段低温氢气还原，能够使W颗粒的平均粒径可以细化到10nm及以下，大幅提高铜合金的强度和高温性能；制备的核壳结构W@Cu粉体能够有效避免烧结过程中W颗粒的偏聚和长大，使Cu-W合金块体中的W颗粒细小且分布均匀超细晶Cu基体中，仅添加少量的W就可以实现铜合金强度和高温稳定性的大幅提升，同时又避免了较高钨含量导致的热导率及电导率降低，具有优异的导热性能。此外，本发明的溶胶凝胶合成是湿化学方法，效率高，适合规模化生产。
2)经微结构和性能测试表明，按照本发明方法制备的Cu-W合金中，W颗粒平均粒径小于10nm且均匀分布在超细晶Cu基体中，同时超细晶Cu基体中含有纳米级孪晶，Cu-W合金的室温抗拉强度可达到700MPa、延伸率约20％、热导率达370Wm-1K-1，300℃的抗拉强度达638MPa，而且在800℃退火1小时后能够保持晶粒尺寸和力学性能稳定，软化温度为900℃左右，具有优异的高温稳定性。此外，本发明的纳米钨颗粒增强铜(Cu-W)合金还具有优良的导电性能。
3)本发明的层级纳米结构铜钨合金具有优异的综合性能，制备方法科学、高效、可规模化生产，与现有技术相比具有显著的进步，在核聚变堆高热负荷部件、电力电子等领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的铜钨(Cu-W)复合粉体的透射电镜(TEM)照片；
图2中(a)、(b)分别为本发明实施例1中制备的层级纳米结构铜钨(Cu-W)合金块体的透射电镜(TEM)照片；(c)为W颗粒尺寸分布图；
图3为本发明实施例1的纳米结构铜钨(Cu-W)合金在不同温度的拉伸曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，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
步骤1，先将柠檬酸、硝酸铜添加到去离子水中，在室温下搅拌至完全溶解，再在溶液中加入仲钨酸铵，硝酸铜和仲钨酸铵按照铜与钨原子比98.2：1.8称量，柠檬酸与硝酸铜原子、仲钨酸铵中钨金属原子总和的摩尔比为1.2：1，在85℃加热搅拌2小时，得到混合溶液；
步骤2，在溶液中加入聚乙二醇，聚乙二醇添加量为仲钨酸铵中钨原子、硝酸铜中铜原子总重量的2％，继续在85℃加热搅拌至形成凝胶；
步骤3，将前驱体凝胶在140℃加热干燥12小时，得到干凝胶；
步骤4，将干凝胶在550℃煅烧6小时，得到铜钨复合氧化物粉体；
步骤5，将铜钨复合氧化物粉体放入管式还原炉中，在还原炉管的排气端放置适量生石灰作为干燥剂，先在400℃氢气还原1.0小时，随后升温至600℃还原1小时，得到纳米W颗粒在Cu中均匀分布的核壳结构W@Cu复合粉体；
步骤6，将W@Cu复合粉体装入石墨模具中，采用放电等离子体烧结炉在氩气气氛中进行烧结，在900℃加压烧结5min，烧结压力为51MPa，得到高强高热导层级纳米结构的铜钨合金。
对本实施例制得的样品进行微结构表征和性能测试。图1为上述步骤5中溶胶凝胶反应结合低温氢气还原制备得到了纳米W颗粒均匀分布的核壳结构W@Cu复合粉体的透射电镜(TEM)照片，粉体中W颗粒的平均粒径为5.8nm。图2为上述步骤6中烧结后得到Cu-1.8at.％W合金块体的透射(TEM)电镜照片和W颗粒的粒径分布，可以看出W颗粒平均粒径仅为7.6nm，在铜基体中均匀分布。铜钨合金中，铜晶粒的平均尺寸为0.48微米，且Cu晶粒内部存在纳米级孪晶结构，如图2b所示。性能测试结果表明，室温抗拉强度为709MPa、延伸率约20％，热导率达370Wm-1K-1，300℃和600℃的抗拉强度分别达到638MPa和398MPa，如图3所示，600℃的热导率为358.5Wm-1K-1；而且在800℃退火1小时后能够保持晶粒尺寸和力学性能稳定，软化温度约为900℃，具有非常优异的高温稳定性。此外，本实施例的铜钨合金还具有优良的导电性能，室温电导率为85.1％IACS。
国际热核聚变实验堆ITER主要候选热沉材料CuCrZr合金的室温抗拉强度约450MPa，热导率为318Wm-1K-1。本发明实施例制备的纳米Cu-W合金在室温及高温下的强度和热导率均显著高于ITER级CuCrZr合金，而且软化温度也提高了约400℃。因此，本发明的层级纳米结构铜钨合金在室温及高温下均具有优异的力学性能和导热性能，同时具有优异的高温稳定性，在核聚变堆高热负荷部件、电力电子等领域具有很好的应用前景。
实施例2
步骤1，先将柠檬酸、硝酸铜添加到去离子水中，在室温下搅拌至完全溶解，再在溶液中加入偏钨酸铵，硝酸铜和偏钨酸铵按照铜与钨原子比98.5:1.5称量，柠檬酸与硝酸铜中铜原子、偏钨酸铵中钨原子总和的摩尔比为1.5：1，在85℃加热搅拌3小时，得到混合溶液；
步骤2，在溶液中加入聚乙二醇，聚乙二醇添加量为硝酸铜中铜原子、偏钨酸铵中钨原子金重量的1％，继续在85℃加热搅拌至形成凝胶；
步骤3，将前驱体凝胶在140℃加热干燥12小时，得到干凝胶；
步骤4，将干凝胶在550℃煅烧6小时，得到铜钨复合氧化物粉体；
步骤5，将铜钨复合氧化物粉体放入还原炉中，先在420℃氢气还原0.5小时，随后升温至620℃还原1.5小时，得到纳米W颗粒均匀分布的核壳结构W@Cu复合粉体；
步骤6，将W@Cu复合粉体装入石墨模具中，采用放电等离子体烧结炉在氩气气氛下进行烧结，在900℃加压烧结5min，烧结压力为50MPa，得到高强高热导层级纳米结构的铜钨合金。
所得纳米结构铜钨合金的室温抗拉强度为648MPa，热导率为376Wm-1K-1。
实施例3
步骤1，先将柠檬酸、硝酸铜添加到去离子水中，在室温下搅拌至完全溶解，再在溶液中加入仲钨酸铵，硝酸铜和仲钨酸铵按照铜与钨原子比98.5:1.5称量，柠檬酸与硝酸铜原子、仲钨酸铵中钨金属原子总和的摩尔比为1.5：1，在85℃加热搅拌3小时，得到混合溶液；
步骤2，在溶液中加入聚乙二醇，聚乙二醇添加量为仲钨酸铵中钨原子、硝酸铜中铜原子总重量的1％，继续在85℃加热搅拌至形成凝胶；
步骤3，将前驱体凝胶在140℃加热干燥12小时，得到干凝胶；
步骤4，将干凝胶在550℃煅烧6小时，得到铜钨复合氧化物粉体；
步骤5，将铜钨复合氧化物粉体放入还原炉中，在还原炉管一端放置生石灰，先在280℃氢气还原2小时，随后升温至600℃氢气还原2小时，得到纳米W颗粒均匀分布的核壳结构W@Cu复合粉体；
步骤6，将W@Cu复合粉体装入石墨模具中，采用真空热压烧结炉在920℃烧结1小时，烧结压力为40MPa，得到高强高热导层级纳米结构的铜钨合金。
所得纳米结构铜钨合金的室温抗拉强度为527MPa，热导率为377Wm-1K-1。
实施例4
步骤1、先将柠檬酸、硝酸铜添加到去离子水中，在室温下搅拌至完全溶解，再在溶液中加入仲钨酸铵，硝酸铜和仲钨酸铵按照铜与钨原子比98:2称量，柠檬酸与仲钨酸铵中钨原子、硝酸铜中铜原子总和的摩尔比为1.5：1，在85℃加热搅拌3小时，得到混合溶液；
步骤2、在溶液中加入聚乙二醇，聚乙二醇添加量为仲钨酸铵中钨原子、硝酸铜中铜原子总重量的1％，继续在85℃加热搅拌至形成凝胶；
步骤3、将前驱体凝胶在140℃加热干燥12小时，得到干凝胶；
步骤4、将干凝胶在550℃煅烧6小时，得到铜钨复合氧化物粉体；
步骤5、将铜钨复合氧化物粉体放入管式还原炉中，在还原炉一端放置金属钙用于吸收水汽，先在400℃氢气还原1小时，随后升温至560℃氢气还原3小时，得到纳米W颗粒均匀分布的核壳结构W@Cu复合粉体；
步骤6、将W@Cu复合粉体装入不锈钢包套中，随后抽真空封焊，放入热等静压烧结炉中在950℃、压力为100MPa条件下烧结1.5小时，得到高强高热导层级纳米结构的铜钨合金。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强高热导层级纳米结构铜钨合金的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、先将柠檬酸、硝酸铜添加到去离子水中，在室温下搅拌至完全溶解，再在溶液中加入仲钨酸铵或偏钨酸铵，其中仲钨酸铵或偏钨酸铵中钨原子与硝酸铜中铜原子的摩尔比为(0.5-3.0):(99.5-97)，柠檬酸与钨原子、铜原子总和的摩尔比为(0.5-3):1，加热搅拌，得到混合溶液；
S2、在混合溶液中加入聚乙二醇，继续加热搅拌至形成前驱体凝胶，将前驱体凝胶加热干燥，得到干凝胶，将干凝胶在520-620℃煅烧3-6小时，得到铜钨氧化物复合粉体；
S3、将铜钨氧化物复合粉体放入管式还原炉中，在还原炉管的排气端放置干燥剂吸收还原产生的水汽，先在280-420℃氢气还原0.5-3h，随后再升温至550-620℃氢气还原1-3小时，得到纳米W颗粒在Cu中均匀分布的W@Cu复合粉体；
S4、将W@Cu复合粉体在真空或保护性气氛下进行加压烧结，得到纳米W颗粒在超细晶Cu基体中均匀分布的高强高热导层级纳米结构铜钨合金。
2.根据权利要求1所述的高强高热导层级纳米结构铜钨合金的制备方法，其特征在于，步骤S1和S2中在70-90℃加热搅拌1-3小时。
3.根据权利要求1所述的高强高热导层级纳米结构铜钨合金的制备方法，其特征在于，步骤S2中聚乙二醇的添加量为高强高热导层级纳米结构铜钨合金总重量的0.2-5％。
4.根据权利要求1所述的高强高热导层级纳米结构铜钨合金的制备方法，其特征在于，步骤S2中前驱体凝胶在120-180℃加热干燥5-15小时，得到干凝胶。
5.根据权利要求1所述的高强高热导层级纳米结构铜钨合金的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述干燥剂为生石灰或金属钙。
6.根据权利要求1所述的高强高热导层级纳米结构铜钨合金的制备方法，其特征在于，步骤S3和S4中所述纳米W颗粒的平均尺寸为3-10nm。
7.根据权利要求1所述的高强高热导层级纳米结构铜钨合金的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述加压烧结为放电等离子体烧结、热压烧结、热等静压烧结、热挤压方式中的一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求1或7所述的高强高热导层级纳米结构铜钨合金的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述加压烧结的压力为30-200MPa，烧结温度为850℃-1000℃。
9.根据权利要求1所述的高强高热导层级纳米结构铜钨合金的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述超细晶Cu基体的平均晶粒尺寸为0.1～1微米，超细晶Cu基体内存在纳米级孪晶。
10.一种权利要求1-9任意一项所述的制备方法制得的高强高热导层级纳米结构铜钨合金。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09104908A (ja) * | 1995-10-09 | 1997-04-22 | Taiyo Koukou Kk | 銅−タングステン混合粉末の製造法 |
| CN101298103A (zh) * | 2008-06-27 | 2008-11-05 | 北京工业大学 | 一种纳米W-Cu复合粉体的制备方法 |
| CN103128310A (zh) * | 2011-11-29 | 2013-06-05 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 钨-铜复合粉末的制备方法 |
| CN106077695A (zh) * | 2016-08-11 | 2016-11-09 | 河南科技大学 | 一种高铜钨铜纳米复合粉末的制备方法 |
| CN108251685A (zh) * | 2018-01-22 | 2018-07-06 | 北京科技大学 | 一种钨弥散强化铜基复合材料及其制备方法 |
| CN108356287A (zh) * | 2018-01-22 | 2018-08-03 | 北京科技大学 | 一种催化凝胶制备钨弥散强化铜基复合材料的方法 |
-
2022
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09104908A (ja) * | 1995-10-09 | 1997-04-22 | Taiyo Koukou Kk | 銅−タングステン混合粉末の製造法 |
| CN101298103A (zh) * | 2008-06-27 | 2008-11-05 | 北京工业大学 | 一种纳米W-Cu复合粉体的制备方法 |
| CN103128310A (zh) * | 2011-11-29 | 2013-06-05 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 钨-铜复合粉末的制备方法 |
| CN106077695A (zh) * | 2016-08-11 | 2016-11-09 | 河南科技大学 | 一种高铜钨铜纳米复合粉末的制备方法 |
| CN108251685A (zh) * | 2018-01-22 | 2018-07-06 | 北京科技大学 | 一种钨弥散强化铜基复合材料及其制备方法 |
| CN108356287A (zh) * | 2018-01-22 | 2018-08-03 | 北京科技大学 | 一种催化凝胶制备钨弥散强化铜基复合材料的方法 |
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