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1、粉末冶金技术案例高强高导高耐热弥散强化铜合金制备方法与研究现状,弥散强化铜合金是一类具有优良综合物理性能和力学性能的新型结构功能材料，它兼具高强高导性能和良好的抗高温软化能力。其弥散强化相粒子多为熔点高、高温稳定性好、硬度高的氧化物、硼化物、氮化物、碳化物。这些弥散相粒子以纳米级尺寸均匀弥散分布于铜基体内，它们与析出强化型铜合金时效析出的金属间化合物粒子不同，在接近于铜基体熔点的高温下也不会溶解或粗化，因此可以有效地阻碍位错运动和晶界滑移，提高合金的室温和高温强度，同时又不明显降低合金的导电性，且耐磨耐蚀性也较高。弥散强化铜合金的出现不仅丰富了铜合金的种类，而且扩大了其使用的温度范围。,弥散强
2、化铜合金已被广泛应用于电阻焊电极、大规模集成电路引线框架、灯丝引线、电触头材料、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、核聚变系统中的等离子作用部件、燃烧室衬套、先进飞行器的机翼或叶片前缘等。,液液方应法制备DS青铜示意图,接触反应装置示意图,反应喷射成形装置示意图,一、纳米弥散强化Cu-TiB2合金的组织与性能,熔体混合原位反应快速凝固装置工作原理示意图,1、装置工作原理示意图,2、制备Cu/TiB2合金的结构,不同条件下获得的Cu-TiB2合金SEM照片，(a,b) S0/(S1+S2)=0.5，L0/D0=20，=75,温度1300，1个大气压(
3、c,d) S0/(S1+S2)=0.5，L0/D0=15，=75,温度1300，2个大气压(e,f)反应条件：S0/(S1+S2)=1.0，L0/D0=12，=75,温度1400，2.5个大气压,原位复合材料XRD分析,原位复合材料TEM照片 (a 和b)明场像，（c）衍射花样,基体中存在40nm左右的球状弥散粒子,3、制备Cu/TiB2合金的性能,3.1 制备Cu/0.25wt%TiB2合金电导率,双熔体紊流混合原位反应-快速凝固法制备的Cu-0.25wt%TiB2合金锭坯(反应条件：S0/(S1+S2)=1.0，L0/D0=12，=75,温度1400，2.5个大气压) ，经不同冷拉变形量冷
4、拉后，在900氢气保护下退火0.5小时，其电导率测量结果,3.2 制备Cu/0.25wt%TiB2合金的力学性能,不同冷拉变形量的样品在900氢气保护下退火0.5小时后，合金的各种性能均有所回复，变化于3035%之间，随变形量的增大，0.2的回复程度稍有增加，这可能与加工储能的增大有关。因为冷加工量越大，储能越高，在相同退火条件下，回复驱动力相对越高。,二、双熔体混合原位反应制备Cu/TiB2 合金的热力学,标准生成自由能反应温度关系,三、Cu-TiB2纳米弥散强化铜合金的强化机制, Orowan位错强化,弥散强化铜合金中形成的Orowan位错环(a)位错绕过粒子TiB2留下Orowan位错环
5、 (b) TiB2粒子对位错的钉扎, 载荷传递强化 一般指微米级及以下的增强颗粒，载荷由基体传递给颗粒，颗粒有效承担载荷，由于载荷传递产生的屈服应力的增加可表达为： LTm（1/2*fv） 式中m为基体的屈服应力；fv为增强颗粒的体积分数。退火态纯铜基体的屈服强度为45MPa, 取其中间值，则LT为0.8MPa,此项可忽略不计,亚结构（或细晶）强化机制,热错配位错强化,Cu-TiB2合金由热挤压温度冷却下来时，因TiB2与Cu间的热膨胀系数差异，会产生应力，会以位错形核的方式（当T0.5Tm时）得到松弛。在550-250温度范围，可在基体中形成位错，继续冷却将不能形成位错，而是在基体中形成残余
6、热应力。若在550-250温度范围产生的所有热应变全部以形成位错的方式松弛，扩散过程引起的松弛将不发生。TiB2颗粒与Cu间的热膨胀系数差导致的热错配为,热错配以向基体中释放位错环方式松弛，由此在每个颗粒周围产生的位错数为,热错配产生的强化,此项较小忽略不计,各种强化机制对Cu-0.5 TiB2铜合金材料屈服强度的相对贡献,从表中数据可以看出，由各种强化机制预测的屈服强度的总和与材料的实测值基本保持一致。虽然如此，但是实测值还是略低于理论的预测值，这种偏差可能是由于合金在双溶体原位反应制备过程中产生了TiB2粒子聚集长大，从而降低了弥散强化效果。,四、原位颗粒增强铜基复合材料导电机制,TiB2
7、弥散强化铜合金的电导率除了与基体铜有关以外，还与TiB2含量的多少及与基体之间的结合有关。由于弥散相TiB2粒子细小，含量少，Cu- TiB2材料可按基体型计算.,式中为Cu- TiB2材料的电导率；0和1分别为基体Cu和弥散相TiB2的电导率，其值分别为5.86104-1mm-1和9.010-4-1mm-1；c和1-c分别为Cu- TiB2材料中TiB2和基体的体积含量。,造成差值的主要原因如下：（1）残余的溶质元素Ti和B会影响材料的电导率。,（2）双熔体原位反应过程中形成的TiB2会对电导率产生影响。计算模型导出的条件是圆形粒子在基体中作均匀分布，没有考虑粒子的大小、形状、分布等的影响。
8、实际上，弥散粒子的形状、大小对电导率有一定的影响。球形粒子的比表面积最小，对电子的散射作用也最小。,内氧化法(Internal Oxidation),由于Al2O3等陶瓷粒子与铜熔体的润湿性很差，而且二者的比重相差较大，细小的陶瓷粒子易产生偏析和聚集，因此用传统的熔铸法制备这种材料较为困难。而采用内氧化法获得的Al2O3粒子尺寸细小，仅为1020nm，而且分布均匀，制备的Cu-Al2O3合金综合性能优异。,其具体制备工艺如下：将成分合适的Cu-Al合金熔炼后，气体雾化喷粉，再与适量的氧化剂混合，在密闭容器中加热进行内氧化，溶质元素Al被表面扩散渗入的氧优先氧化生成Al2O3，随后将复合粉末在氢
9、气中还原，除去残余的Cu2O, 然后将粉末包套、抽真空、挤压或热锻成形，大型坯材的致密化则可通过热等静压来完成。由于内氧化的时间取决于氧在铜基体中的扩散速率，即扩散反应的时间与氧在铜基体中完成扩散反应所通过的距离的平方成正比，因此为适应生产的要求，保证弥散粒子的尺寸细小和合理分布，扩散距离不应太大。因此氧化物弥散强化铜合金一般采用粉末冶金方法制备。,内氧化法：Cu-Al合金粉制备内氧化还原压型烧结 致密化加工成型,所需要的基本装备,纳米弥散强化铜合金抗高温软化特性,产品照片,二、机械合金化/粉末冶金制备铜基形状记忆合金,2.2 机械合金化过程中粉末结构变化,2.1 合金成份为：Cu-12Al-
10、5Ni-2Mn(wt%),不同球磨时间Cu-12Al-5Ni-2Mn (wt%)合金粉末的X射线衍射谱,球磨过程中混合粉末中Cu组元的晶粒大小与内应力的变化,球磨过程中混合粉末中Cu组元的晶格参数与峰位的变化,三、机械合金化/粉末冶金制备Cu-Al-Ni-Mn合金的结构,3.1 X-射线衍射分析,淬火态Cu-Al-Ni-Mn合金X-射线衍射谱1-M，2-202M，3-0018 M（2201），4-M 5-208 M，6-1210 M（M），7-M （2014M），8-2221，9-M，10-2020M , 11-4001，12-040M，13-320M，14-， 15-M（4221）,将经球磨
11、45小时Cu-12Al-5Ni-2Mn(wt%)合金粉末经真空热压成坯锭后，再在气体保护下，于900热挤成10mm棒材，并进一步热轧成片材，片材经800固溶10分钟后，水淬。淬火态样品X-射线衍射谱以M18R马氏体衍射峰为主，兼有少量的相和1相的衍射峰。,3.2 扫描电镜观察,从图中可以发现：经过真空热压、气体保护热挤压、热轧后的淬火态样品，颗粒之间为冶金化结合，没有发现空洞和裂纹，晶粒平均尺寸为1-3但在局部区域也出现了晶粒长大的现象，而且在其中出现了自协调组态的马氏体，各种元素在基体中的分布是均匀的。,3.3 机械合金化/粉末冶金制备Cu-Al-Ni-Mn合金形状记忆效应,粉末冶金/机械合金化制备Cu-Al-Ni-Mn合金的形状记忆效应,
