一种高性能Cu基多相复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高性能Cu基多相复合材料及其制备方法，属于合金制备技术领域。
【背景技术】
[0002]从20世纪60年代开始，已有学者对碳纤维增强Cu基复合材料进行研究，70年代以来为适应电子工业的飞速发展，美国SCM公司首先开发了 GLidcop系列的Al203/Cu复合材料，自此许多国家对这类材料进行了大量的开发和研制工作。A1203弥散强化Cu合金是将具有高熔点、高硬度以及良好热稳定性能和化学惰性的陶瓷颗粒A1203加入到铜基合金中形成的一类铜合金材料。Al203/Cu复合材料不仅导电、导热性好，而且还具有较高的强度、硬度和软化温度等。主要是由于弥散强化的强化粒子在接近铜的熔点的高温下也不发生溶解与粗化，有效地阻碍位错运动与晶界滑移，同时不会明显降低电导率，具有高强高导耐热的特性，进而扩大了使用铜合金的温度范围。故其广泛应用于电力、电子、机械、汽车等领域。
[0003]但是，由于Al203/Cu复合材料制备工艺复杂，组织均匀性差，致密度不高等原因，国内相关单位仅建立了小规模的中试生产线，一直不能大规模生产。同时，制备的Al203/Cu复合材料在力学性能及软化温度等方面还不稳定，加工的成品率低，导致生产成本较高。目前，国内使用的大多数Al203/Cu复合材料依赖于进口。因此，Al203/Cu复合材料的性能及与之相关的制备工艺均有待于进一步提高和改善。
[0004]经对现有技术的文献检索发现，弥散强化Cu合金主要集中于A1203颗粒的单一增强体，其缺点是单一增强体容易产生偏聚。目前，制备这种复合材料的方法有外加颗粒法和原位合成法。外加颗粒法工艺相对简单，复合材料中Α?2θ3颗粒的体积分数可控，但Α?2θ3颗粒与Cu的比重相差较大，且二者的润湿性较差，很容易出现偏析现象;再者，由于Α1203颗粒是从外界加入时，不可避免在表面残留有空气、水分等杂质，从而会影响颗粒与基体界面的结合。为了避免这缺点，利用在Cu基体中原位生成Α1203颗粒来制备Al203/Cu复合材料备受青睐。与外加颗粒法相比，原位反应合成法是在基体内部生成增强相，并与基体原位复合，克服了强制外加颗粒法增强相表面污染、增强相与基体间界面结合弱等主要缺点。在同等条件下，其力学性能一般都高于外加颗粒法制备的复合材料。原位反应合成技术具有规模化工业的潜力，因而是很有前途的产业技术方向。
[0005]但由于现有的原位反应合成技术发展历史较短，A1203颗粒的体积分数难以精确控制，在制备过程中氧分压、氧化时间和氧化量都难以控制，致使其工艺复杂，生产周期变长，同时产品质量不稳定。而且制备的复合材料不能直接制备锭、板、轮等近成型件。另外，单一的A1203颗粒增强体由于自身的形状、分布规律及大小不能互补，容易产生偏聚，而复合颗粒增强体会克服这些缺点。
【发明内容】
[0006]本发明旨在提供一种具有优良综合性能的C11/AI2O3/M0新型多相复合材料，以及提供一种利用机械化学合金化和激光压力渗透相结合来制备Cu/A1203/Mo多相复合材料的方法，用该方法制备的Cu/A1203/Mo多相复合材料致密度高，高温下具有高强度和高传导性能。
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的，
本发明提供了一种高性能Cu基多相复合材料，由以下重量百分比的原料:
Mo03: 18%-40%
A1:3%-20%
Cu:40~79%
制成，相对密度可达98.6%(相对于冶金铜的密度:8.9g/cm3)以上。
[0008]本发明提供了一种所述的高性能Cu基多相复合材料的制备方法，包括以下步骤:
(1)本发明采用以下重量百分比的原料:
Mo03: 18%-40%
A1:3%-20%
Cu:40~79%；
(2)将上述原料中M0O3和A1粉放入不锈钢球磨罐中，在球磨机上混粉35-60min，使粉末混合均匀，将混合粉末球磨2-5h，得到机械合金化粉末；
(3)对机械合金化Mo03和A1混合粉末进行预成型，成型压力为30-60MPa，保压时间为5-20min，形成由Mo03和A1组成的预成型坯体；
(4)以40-60°C/s的升温速度，使预成型坯体在600°C-1000°C进行烧结0.5h-lh，使其发生以下的化学反应:Mo03 + 2A1 — AI2O3 + Mo，形成由AI2O3和Mo组成的骨架;这种预成型骨架适合于进行激光压力渗透；
(5)将预成型坯体以50-60°C/s的升温速度加热到熔渗温度1100-1400°C，熔渗时间为l_3h，利用选区激光烧结使低熔点的Cu在由A1203和Mo组成的骨架上进行压力渗透，获得组织致密的Cu/A1203 /Mo多相复合材料。
[0009]上述制备方法中，所述机械合金化粉末的粒度为1.0-3.Ομπι。
[0010]所述步骤(5)中压力渗透与熔渗是同一过程，优选的熔渗温度为1200-1300°C，熔渗时间为1-2.5h。
[0011]本发明的有益效果:
1)与常规Al203/Cu合金相比，本发明技术所制备的Cu/A1203/Mo多相复合材料致密度高，相对密度可以达到98.6%以上。
[0012]2)该方法制备的Cu/A1203/Mo多相复合材料，由于致密度高，克服了传统用A1203/Cu合金用作电子封装材料时，由于致密度低而导致漏气率高的缺点。
[0013]3)利用化学还原法使预成型件首先形成由A1203和Mo组成的骨架，利用选区激光烧结使低熔点的Cu在由A1203和Mo组成的骨架上进行压力渗透，这种技术的实施保障了Cu/A1203/Mo多相复合材料高的致密度。
[0014]4)本发明的所有操作都在空气中进行，操作简单，无安全隐患。
[0015]5)以Mo和A1203两种颗粒复合增强Cu基体，在分布规律、大小等方面弥补了单一增强体的不足，解决了容易产生偏聚现象的问题。
【附图说明】
[0016]图1是本发明实施例1所制备的多相复合材显微组织结构图。
【具体实施方式】
[0017]下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0018]实施例1:
以Cu、Mo03以及A1粉为原料，复合材料按重量百分比的组成成分为:30%的Mo03，12%的A1，其余为Cu。
[0019]将上述原料Μ ο 0 3和A1粉以2.5: 1的比例放入不锈钢球磨罐中，在球磨机上混粉35min，使粉末混合均勾，将混合粉末球磨2.5h，得到机械合金化粉末。机械合金化后粉末为等轴状，平均粒径大约在2μπι。
[0020]将机械合金化Μο03和Α1粉末放入模具中进行预成型，成型压力为40MPa，保压时间为lOmin，形成由Mo03和A1组成的预成型坯体。