一种铜基复合材料及其制备方法

文档序号:9225869阅读:410来源:国知局
一种铜基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铜基复合材料,具体涉及一种第二相颗粒沿厚度方向周期性变化的铜基复合材料。
【背景技术】
[0002]铜及铜合金材料是一种重要的有色金属材料,由于具有优异的物理和力学性能,在工业中存在广泛的应用。但纯铜的强度和耐热性不足,退化态抗拉强度约为209MPa,冷变形后,材料的强度可以达到400MPa,但延伸率低,而且在随后的回火过程中冷加工效果很快消失,不能满足在高温下使用的零件。弥散强化铜合金是以纳米级难熔金属颗粒或陶瓷颗粒作为增强相的铜基复合材料。第二相颗粒直径一般小于lOOnm,对合金的导电性能影响不大,而且细小的第二相颗粒能阻止位错的移动和再结晶的发生,合金表现出高的强度和高的软化温度。第二相颗粒一般有氧化物、难熔金属等。
[0003]目前制备此类材料的方法主要有内氧化法、粉末冶金方法、机械合金化方法和电子束物理气相沉积法等。内氧化法是利用低氧条件下铜铝合金中铝发生选择性氧化形成氧化铝第二相粒子的工艺,此工艺是目前用于制备Cu-Al2O3弥散强化复合材料的主要工艺,制备的材料性能好,但此工艺存在还存在着工序复杂、周期长、成本高的缺点。粉末冶金法是将一定配比的铜粉与增强粒子经过机械混合,成型,真空或保护气氛条件下烧结,复压,复烧来制备材料的工艺。该工艺虽然可制备各种尺寸增强粒子分布的复合材料,但还存在着制备的复合材料的力学性能差、工序多、成本高的缺点。机械合金化方法是采用高能球磨机将铜粉与增强粒子混合均匀后,成型,真空或保护气氛条件下烧结,复压,复烧来制备材料的工艺。该工艺也存在力学性能差、工序多和成本高的缺点。电子束物理气相沉积工艺是以电子束为热源,加热靶材,蒸发,沉积到基板上,冷却,分离,获得板材的工艺。与前面几种工艺相比,该工艺具有工序简单、成本低的特点。目前,文献中已经报道采用电子束物理气相沉积工艺制备了铜-碳化钼复合材料,其抗拉强度为486MPa,电导率为82% IACS,但延伸率为3.9%。但该材料与与日益发展的电气电子技术对电接触材料的要求相比,材料的综合性能仍不够高,而且材料中碳化钼颗粒是均匀分布。理论研宄表明,适当的第二相颗粒的非均匀分布可以获得性能更优异的材料。鉴于此,本发明通过控制工艺参数制备出了纳米粒子沿厚度方向周期性分布的铜基复合材料,该材料具有更优异的综合性能。

【发明内容】

[0004]本发明的目的是提供一种具有优异力学性能、电性能的铜基复合材料。
[0005]本发明所指的铜基复合材料,第二相颗粒体积含量为0.4-2%,第二相颗粒含量在基体中沿厚度方向呈周期性分布,第二相颗粒尺寸小于50nm,第二相颗粒包括难熔金属、氧化物等。这里难熔金属包括Mo、Nb等,氧化物包括Al2O3、Y2O3等。
[0006]为实现上述目的,本发明采用如下技术方案。
[0007]一种铜基复合材料的制备方法,所述方法包括以下步骤:
[0008](I)采用电子束物理气相沉积设备,将铜锭料和第二相材料分别放入真空室内的两个坩祸中,并在铜锭料上面放上分离层原料;所述第二相材料为Mo、Nb、Al2O3或Y 203;
[0009](2)关上真空室,抽真空;启动基板旋转装置使基板旋转,并加热基板,使基板温度为 600-900 °C (优选 650-700 °C );
[0010](3)当真空度达到IXlO-2Pa以下时,打开基板与坩祸之间的隔离挡板、开启电子枪,电子枪发射电子束流,加热铜锭料上面的分离层原料,在基板上沉积得到分离层;
[0011](4)分离层沉积完毕后,电子枪发射的电子束流分别加热铜锭料和第二相材料,其中以恒定束流加热铜锭料,以周期性变化的束流加热第二相材料,在分离层上沉积铜基材料,当沉积层厚度达到所需厚度时,关闭电子枪,拉上隔离挡板,停止基板加热和旋转;
[0012](5)当基板温度冷却至200°C以下,停止抽真空,取下基板,分离获得沉积层,即为所述铜基复合材料。
[0013]所述步骤(I)中,所述分离层原料为0&?2或Zr02。
[0014]所述步骤(2)中,基板的旋转速度为2-40rev/min,优选8?36rev/min。
[0015]所述步骤(4)中,所述以周期性变化的束流加热第二相材料,所述周期性变化的束流是指束流大小按以下步骤循环周期变化:
[0016]A、束流从OA逐渐增大到MA ;M的范围为I?1.8 ;
[0017]B、束流从MA逐渐减小到0.2A ;
[0018]C、束流从0.2A逐渐增大到MA ;
[0019]D、重复步骤B?C ;
[0020]所述增大或减小的速率一般为0.5?4A/min
[0021]所述步骤(4)中,以恒定束流加热铜锭料,其束流大小为1.4A。
[0022]所述步骤(4)中,一般通过改变沉积时间和电子束流大小控制沉积材料的厚度和物相组成。
[0023]本发明还提供按照上述方法制备得到的铜基复合材料。
[0024]所述铜基复合材料含有第二相颗粒,所述第二相颗粒为Mo、Nb、Al2O3或Y 203,第二相颗粒的平均体积含量为0.4-2%,第二相颗粒含量在铜基复合材料沿厚度方向呈周期性分布,第二相颗粒尺寸小于50nm。
[0025]所述体积含量的测定通过先测定质量含量,然后转化为体积含量,这是本领域技术人员公知的检测方法。
[0026]本发明制备的铜基复合材料的性能指标为:抗拉强度Rm彡500MPa,屈服强度Rp0.2^ 460MPa,延伸率彡6%,电导率彡80% IACS。
[0027]本发明与现有技术相比有益效果是:
[0028]本发明采用周期性变化的束流加热沉积第二相材料,使第二相颗粒的含量在铜基复合材料沿厚度方向呈周期性分布,得到的铜基复合材料抗拉强度Rm多500MPa,屈服强度RpQ.2> 460MPa,延伸率彡6%,电导率彡80% IACS,而纯铜的室温屈服强度为33MPa,抗拉强度为 209MPa。
【附图说明】
[0029]图1为实施例1制备的铜基复合材料截面TEM照片。
[0030]图2为图1中A处放大图。
【具体实施方式】
[0031]下面通过优选实施例对本发明的技术方案做进一步说明,但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。
[0032]本发明实施例所用的电子束物理气相沉积设备为Gekont L-5
[0033]实施例1:
[0034]将铜锭料和钼锭料分别放入真空室内的两个坩祸中,在铜锭料上面放上5g CaF2;关上真空室,开始抽真空;启动转动装置使基板以lOrev/min的速度转动,并打开基板加热装置,加热基板温度使之稳定在700°C ;当真空度达到I X KT2Pa时,打开基板与坩祸之间的隔离挡板、开启电子枪,沉积分离层CaF2;然后以1.4A束流恒定加热铜锭料,以束流大小
0.2-1.2A加热钼锭料,沉积时加热钼定料的束流先逐渐从OA增加到1.2k,再从1.2A逐渐减小到0.2A,再从0.2A逐渐增加到1.2A,重复上述过程直到制备过程结束,增加或减小的束流速率为2A/min。沉积Ih结束后,关闭电子枪,拉上挡板,关闭加热装置,关闭基板旋转装置;当基板温度降到200°C以下时,打开真空室,取下基板,分离获得厚度0.3mm,直径100mm的铜基复合材料。制备的复合材料中钼的平均体积含量为1.2vol%,根据国家标准GB/T 228.1-2010对最终产品进行力学性能测试,其屈服强度Rpa
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