原位析出TiC纳米硬质相增强网状铜钛复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于有色金属材料领域，涉及一种原位析出TiC纳米相强化网/球状微结构 共存的铜钛复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 铜及其合金耐蚀，是电和热的良导体，常为导电、导热、密封元件的原材料，被广泛 用于交通、机械、化工、通讯工程、电子工业、大规模集成电路等领域。需要指出的是，铜质元 器件在应用过程中常需承受一定的载荷，这要求材料要兼具良好的硬度、强度和耐磨性，而 铜材料的这些性能指标却偏低。因此，在保证足够导电性的前提下，如何提高铜的力学性能 一直是人们关注的热点之一。
[0003] 目前，向铜中添加合金元素或者硬质相是改善铜材料力学性能的常用途径。该方 法中的合金元素包括Cr、V、Zr、Ti等过渡族元素，它们具有不同于Cu的体心立方(bcc)晶体 结构，这些元素在Cu中能够发挥固溶时效强化效果，但是这些合金元素在铜中难于固溶，强 化效果较弱。而硬质相的添加常能明显提高铜材料的硬度和强度，这源于硬质相对Cu位错 的钉扎，阻碍了位错的滑移和攀移，常用的硬质粒子多为金属硼化物、氧化物、碳化物、氮化 物，它们具有高硬度、高熔点和高温稳定性好等优点。然而，外加上述硬质粒子却因其与铜 的润湿性差，而影响添加物与基体相之间的界面结合，有害于材料的导电性。
[0004] 此外，硬质相的强化效果与其粒径尺寸，以及在铜基体上的分布状况密切相关。通 常情况下，硬质相的尺寸越小，分布越弥散均匀，它的强化效果越好，尤其是能大幅度提高 材料的高温强度，同时还降低了对导电性的不利影响。当硬质相的尺度降为纳米数量级时， 添加物的弥散强化效果非常明显，但是纳米粉却因具有高表面能而易于团聚，这影响纳米 硬质相强化效果的充分发挥，降低材料性能的均一性。因此，有必要找到一种综合利用固溶 时效强化与弥散强化机制，纳米硬质相均匀分布在铜基复合材料中的方法。
【发明内容】
[0005] 针对上述技术现状中存在的问题，基于两种强化机制的协同效应和Ti/C反应特 性，本发明综合利用多步骤机械球磨和异步热压烧结技术，提供了一种原位析出TiC纳米硬 质相增强，且微观组织具有网/球形貌特征共存的硬度高导电性良好的铜钛复合材料及其 制备方法。
[0006] 本发明技术方案是：原位析出TiC纳米硬质相增强网状铜钛复合材料，其组成为： (Cu·-xTix) 1Q()-y(TiC)y;x为Ti元素在Cu·-xTi x合金中的原子百分比，lat% < X <10at%， y为TiC在复合材料中的体积百分比，1 vol% < 30 vol %，复合材料中CuiQQ-xTix组织 形貌部分呈网状，部分呈球状。
[0007] 所述的原位析出TiC纳米硬质相增强网状铜钛复合材料，优选的是，3at% < X < 8at%(优选的，4at% < X <6 at%)。
[0008] 所述的原位析出TiC纳米硬质相增强网状铜钛复合材料，优选的是，5vol% < 25 vol %(优选的，7vol% < 15 vol %)〇
[0009] 本发明还提供了所述的原位析出TiC纳米硬质相增强网状铜钛复合材料的制备方 法，其步骤如下： 步骤1:按照(Cmoo-xTixhoo-jTiOy的成分配比，称量Cu、Ti和C粉料，并称量硬脂酸，按 照每100克0.5~5毫升的比例量取乙醇，调制出硬脂酸与乙醇混合的球磨过程控制剂； 步骤2:将步骤1准备的Ti、C原材料、钢球与机械球磨过程控制剂，装入真空球磨罐，之 后封盖、抽真空、充入高纯氩，进行高能机械球磨，球磨时间30~150小时，球磨转速250~500 转/分钟，获得Ti包C的高活性纳米晶粉体;在无氧环境中，将Ti/C纳米晶粉与步骤1准备的 Cu粉一起装入带有球磨过程控制剂的真空罐内，之后抽真空和充入高纯氩，并在球磨机上 进行短时间球磨，此时的球料比及转速，与上述球磨Ti/C的参数范围相同，球磨时间为5~20 小时，获得Cu、Ti和C分布均匀的粉料； 步骤3:将步骤2制备得的粉体，放入真空热压烧结炉的模具里，把炉内真空度抽至ΚΓ3 ~l(T4pa数量级，之后进行热压烧结，加热与加压过程异步进行，升温到420°C后开始施加压 力，烧结结束后炉冷至室温，获得硬度高且导电性良好的网状铜钛复合材料。
[0010] 所述的制备方法，优选的是，步骤1: Cu、Ti和C粉料的平均粒径为10微米，纯度在 99%以上。
[0011] 所述的制备方法，优选的是，步骤1:硬脂酸的用量为Cu、Ti和C粉料总质量的0.1~ 5%(优选的，硬脂酸的用量为Cu、Ti和C粉料总质量的0.5~2%)。
[0012] 所述的制备方法，优选的是，步骤2:将步骤1准备的Ti、C原材料、钢球与机械球磨 过程控制剂，装入真空球磨罐，球料比8:1~40:1 (优选的，球料比10:1~20:1)。
[0013] 所述的制备方法，优选的是，步骤3:烧结温度为600_1000°C，烧结时间为0.5-5小 时(优选的:烧结温度为800_950°C，烧结时间为2-4小时）。
[0014] 所述的制备方法，优选的是，步骤3:烧结保温时压力达到30-150 MPa(优选的：烧 结保温时压力达到60-120 MPa)。
[0015] 本发明属于有色金属材料领域，涉及一种原位析出TiC纳米相强化网/球状微结构 共存的铜钛复合材料及其制备方法。本发明利用纳米硬质相弥散强化和第二组元固溶时效 强化原理，采用机械球磨和异步热压烧结技术，制备出了固溶Ti的铜基复合材料，材料微结 构呈网/球状，TiC纳米相弥散分布在球形区域。材料的制备方法为:先将Ti和C反应物粉料 按比例进行机械球磨获得纳米晶粉，再与Cu粉球磨，最后运用异步热压烧结技术，获得原位 析出TiC纳米相强化网/球形貌共存的铜钛复合材料。本发明主要特点：铜钛合金的组织结 构中网/球形貌共存，纳米TiC硬质相原位析出，均匀弥散在铜钛合金的球形基体区域，硬质 相颗粒表面洁净，与铜钛合金基体界面结合强度高，材料的硬度高导电性优良。
[0016] 本发明的优异效果是，由于采用上述技术方案，本发明制得的铜基复合材料与外 加微米TiC强化非网状铜基复合材料相比，具有更加优异的硬度和导电性；同时与外加 TiC 强化相铜基复合材料制备方法相比，还省却了硬质相的高温合成环节，节约了能源，降低了 生产成本。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明实施例1的原位析出TiC纳米硬质相强化网/球形貌共存的铜钛复合 材料组织图。
【具体实施方式】
[0018] 以下将结合实施例对本发明做进一步说明，本发明的实施例仅用于说明本发明的 技术方案，并非限定本发明。
[0019] 实施例中所用原料皆可从市场购买。
[0020] 本发明具有网状特征(Cu1QQ-XT ix) 1QQ-y (T i C) 丫材料的制备方法，常规步骤如下： 步骤1:按照((：111()(^1^)1()( )1(11(：\的成分配比，称量平均粒径为10微米的纯度在99.5% 的Cu、Ti和C粉料，并称量与Cu、Ti和C粉料总质量0.1~5%相当的硬脂酸，按照每100克0.5~5 毫升的比例量取乙醇，调制出硬脂酸与乙醇混合的球磨过程控制剂。
[0021] 步骤2:将步骤1准备的Ti、C原材料、钢球与机械球磨过程控制剂，装入真空球磨 罐，球料比8:1~40:1，之后封盖、抽真空、充入高纯氩，进行高能机械球磨，球磨时间30~150 小时，球磨转速250~500转/分钟，获得Ti包C的高活性纳米晶粉体;在无氧环境中，将Ti/C纳 米晶粉与步骤1准备的Cu粉一起装入带有球磨过程控制剂的真空罐内，之后抽真空和充入 高纯氩，并在球磨机上进行短时间球磨，此时的球料比及转速，与上述球磨Ti/C的参数范围 相同，球磨时间为5~20小时，获得Cu、Ti和C分布均匀的粉料。
[0022] 步骤3:将步骤2制备得的粉体，放入真空热压烧结炉的模具里，把炉内真空度抽至 10-3~l(T4pa数量级，之后进行热压烧结，加热与加压过程异步进行，升温到420°C后开始施 加压力，烧结温度为600-1000°C，烧结时间为0 · 5-5小时，烧结保温时压力达到30-150 MPa， 烧结结束后炉冷至室温，获得硬度高且导电性良好的网状铜钛复合材料。
[0023] 实施例1: (1) Ti包C纳米晶前驱粉的制备:基于(Cu95Ti5)9Q(TiC) 1()的成分配比，称量平均粒径10 微米且纯度在99%以上的Cu、Ti和C粉，并以与粉料总质量1.5%相当的硬脂酸和3毫升/100克 的乙醇混合物为球磨过程控制剂;把Ti、C粉料和球磨过程控制剂装入真空球磨罐中，球料 比15:1，之后封盖、抽真空、充入高纯氩，进行高能机械球磨，球磨时间120小时，球磨转速 420转/分钟，获得Ti包C的高活性纳米晶粉体。
[0024] (2)均匀粉料的制备：将步骤1准备的Ti包C纳米晶粉作为前驱料，并与Cu粉、钢 球、机械球磨过程控制剂一起，在无氧环境中，放入真空罐内，之后抽真空和充入高纯氩，并 在球磨机上进行机械球磨，此时的球料比及转速，与Ti/C前驱料的球磨参数范围相同，球磨 时间缩短为6小时，获得Cu、T i和C分布均匀的粉料。
[0025] (3)异步热压烧结:将步骤2制备得的粉体，放入真空热压烧结炉的模具里，把炉 内真空度抽至2 X l(T3pa，之后进行加热，当炉温升至420°C