本发明涉及塑性成形技术和粉末冶金技术，具体涉及一种高致密度Cu/CuCr梯度复合材料的制备方法。
背景技术：
目前，真空开关使用的触头材料主要是铜基合金，其中铜铬合金由于具有较高的耐电压强度、大的分断电流能力、良好的抗熔焊性以及较低的载流值而广为应用。
铜铬合金触头材料的性能与其致密度关系密切。铜铬合金的相对密度提高，其力学性能和导电性能随之提高，有助于提高触头的开断容量、抗电蚀能力，抗熔焊等性能。另一方面，合金内部的残余孔隙在电弧作用下会产生液体金属飞溅，且在触头加工装配的酸洗和电镀过程中，液体进入孔洞后难以去除，腐蚀材料。传统的烧结CuCr合金材料的致密度约95％左右，且很难再有提高；而放电等离子烧结技术(SPS)，是利用强脉冲直流电流经粉末或模具产生焦耳热而对粉末直接加热的一种快速固结成形新技术，可显著降低成形温度和成形时间，并在粉末颗粒间隙中产生等离子活化、放电冲击压和电场辅助扩散效应等一系列特殊效应，所制备的CuCr合金致密度高达99.8％。此外，采用SPS固结粉末时既不需要对粉末进行预成形，也不需要添加任何润滑剂，具有短流程、环保、精密成形等优点。
为保证铜铬合金的高使用性能，其导电导热能力、致密度、含气量等都是至关因素。材料的导电性越好，则开关的开断容量就越大；导热性能越好，则越有利于开关散热，提高开断容量、耐电蚀性能和使用寿命。在铜铬合金中，其导电导热性能主要靠铜来完成，故将铜与铜铬合金复合制成梯度合金，有望提高其导电导热能力。
目前Cu/CuCr梯度合金的制备多采用激光焊接技术，但是激光焊接技术在结合面容易产生气孔、热裂纹以及有害相。本发明采用的放电等离子烧结技术通过合理设计烧结模具、改变和控制模具内的温度分布，可制备传统烧结方法无法制备的高致密度梯度复合材料。此外，由于Cu/CuCr梯度合金的主体成分是铜，采用粉末烧结法可有效避免由于成分差异所带来的界面问题，如热膨胀系数差异导致界面应力失配而形成微裂纹等。因此，采用放电等离子烧结技术有望获得高致密度、高导电导热、含气量低的Cu/CuCr梯度复合材料。
技术实现要素：
针对现有高性能铜基触头复合材料，尤其是Cu/CuCr梯度复合材料制备方法的不足之处，本发明的目的在于采用放电等离子烧结技术，通过设计梯度温度场，提供一种高致密度、高导电导热、低含气量的Cu/CuCr梯度材料的制备方法。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明高致密度Cu/CuCr梯度复合材料的制备方法，其特点在于：采用放电等离子烧结技术对Cu粉和CuCr混合粉末进行固结成形，通过设计梯度温度场，施加轴向机械压力的同时以50～200℃/min的升温速率加热到700～900℃后保温5～10min，即可获得高致密度Cu/CuCr梯度复合材料。具体包括如下步骤：
步骤1、选用氧含量低于500ppm、粒径不大于200目的金属Cu粉；选用氧含量低于800ppm、粒径在80目～240目之间的金属Cr粉；
根据所需CuCr合金的成分称取Cu粉和Cr粉，采用机械混合法混合10小时，获得均匀的CuCr混合粉末；
根据所需Cu/CuCr梯度复合材料的尺寸及复合材料中Cu和CuCr的比例，称取一定量的Cu粉和CuCr混合粉末备用；
步骤2、将Cu粉与CuCr混合粉末依次装入烧结石墨模具中；根据所需Cu/CuCr梯度复合材料的尺寸及复合材料中Cu和CuCr的比例，调节上、下压头的高度以及粉末坯体在模具中的位置；
采用手动液压机对装好的粉末进行预压，压力为8～12MPa；
步骤3、在装好粉末的石墨模具外围裹上与石墨模具等高的4～6mm厚的碳毡，然后将其置于放电等离子烧结炉的炉腔中，抽真空至5Pa以下，对粉末进行烧结成形；烧结工艺为：
烧结压力：10～60MPa；
烧结温度：700～900℃；
升温速率：50～300℃/min；
保温时间：2～15min；
随炉冷却后即获得高致密度Cu/CuCr梯度复合合金，合金直径为10～50mm、长径比为0.1～1.0。
本发明的优点体现在：
1、采用焊接方法制备Cu/CuCr梯度合金，工序复杂，成本高，且接合面容易产生缺陷影响材料的导电导热性能。而本发明的烧结方法是根据复合材料所需性能(如导电导热性能)，调节复合材料中Cu和CuCr的比例，再根据Cu/CuCr梯度复合材料的尺寸及复合材料中Cu和CuCr的比例，采用放电等离子烧结技术，在同一模具中通过调节上、下压头高度以及粉末坯体在模具中的位置来构建梯度温度场，实现了Cu粉和CuCr混合粉末的固结成形，获得了高致密度、高导电导热且低含气量的Cu/CuCr梯度复合合金，工序简单且成本低。
2、本发明优化了Cu/CuCr梯度复合触头材料的制备工艺，在本发明的优化条件下，可以充分发挥该制备工艺的优势，获得高致密度、高导电导热且低含气量的Cu/CuCr梯度复合材料。
具体实施方式
通过如下实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
在下述实施例中选用氧含量低于500ppm、粒径不大于200目的金属Cu粉，选用氧含量低于800ppm、粒径在80目～240目之间的金属Cr粉。
所用放电等离子烧结炉为日本Sinter Land Inc公司生产的LABOX-350放电等离子烧结系统，其电流类型为直流脉冲电流，脉冲序列为40:7。
实施例1
本实施例Cu/CuCr梯度复合材料的制备按如下步骤进行：
步骤1、分别称取Cu粉700g、Cr粉300g，采用机械混合法混合10h，获得均匀的CuCr混合粉末；
步骤2、将10g Cu粉和8g CuCr混合粉末依次填装进烧结石墨模具中；调节烧结石墨模具上、下压头高度以及粉末坯体在模具中的位置；采用手动液压机对装好的粉末进行预压，压力为～10MPa；
步骤3、将装好粉末的石墨模具包裹上与石墨模具等高的碳毡，其厚度为～5mm，然后将其装入放电等离子烧结炉的炉腔中，抽真空至5Pa以下，通入直流脉冲电流对粉末进行烧结成形。其烧结工艺如下：
烧结压力：30MPa；
烧结温度：850℃；
升温速率：100℃/min；
保温时间：5min；
随炉冷却后即获得直径为Φ20mm的Cu/CuCr梯度复合合金，其密度为8.60g/cm3，致密度为99.7％，氧含量为300ppm。
实施例2
本实施例的Cu/CuCr梯度复合材料的制备按如下步骤进行：
步骤1、分别称取Cu粉700g、Cr粉300g，采用机械混合法混合10h，获得均匀的CuCr混合粉末；
步骤2、将10g Cu粉和8g CuCr混合粉末依次填装进模具；调节上、下压头高度以及粉末坯体在模具中的位置；采用手动液压机对装好的粉末进行预压，压力为～10MPa；
步骤3、将装好粉末的石墨模具包裹上与石墨模具等高的碳毡，其厚度为～5mm，然后将其装入放电等离子烧结炉的炉腔中，抽真空至5Pa以下，通入直流脉冲电流对粉末进行烧结成形。其烧结工艺如下：
烧结压力：10MPa；
烧结温度：900℃；
升温速率：300℃/min；
保温时间：2min；
随炉冷却后即获得直径为Φ20mm的Cu/CuCr梯度复合合金，其密度为8.64g/cm3，致密度为99.8％，氧含量为500ppm。
实施例3
本实施例的Cu/CuCr梯度复合材料的制备按如下步骤进行：
步骤1、分别称取Cu粉700g、Cr粉300g，采用机械混合法混合10h，获得均匀的CuCr混合粉末；
步骤2、将10g Cu粉和8g CuCr混合粉末依次填装进模具；调节上、下压头高度以及粉末坯体在模具中的位置；采用手动液压机对装好的粉末进行预压，压力为～10MPa；
步骤3、将装好粉末的石墨模具包裹上与石墨模具等高的碳毡，其厚度为～5mm，然后将其装入放电等离子烧结炉的炉腔中，抽真空至5Pa以下，通入直流脉冲电流对粉末进行烧结成形。其烧结工艺如下：
烧结压力：60MPa；
烧结温度：700℃；
升温速率：50℃/min；
保温时间：15min；
随炉冷却后即获得直径为Φ20mm的Cu/CuCr梯度复合合金，其密度为8.53g/cm3，致密度为99.1％，氧含量为400ppm。