喷射共沉积反应制备CuAl₂O₃复合材料的方法

专利名称：喷射共沉积反应制备CuAl₂O₃复合材料的方法
技术领域：
本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种喷射共沉积反应制备CuA1203 复合材料的方法。
背景技术：
CuA1203复合材料不仅导电、导热性好，还具有较高的硬度、强度和软化温度等，在 汽车、电子、电工、机电等领域应用广泛。国外在上个世纪70年代就已采用粉末内氧化法批量生产CuA1203复合材料，如美 国的SCM公司生产的C15715、C15760的A1203弥散强化铜基复合材料，其软化温度为900°C， 电导率为90% IACS，抗拉强度达540MPa，并已形成日产20t的生产规模。日本、德国以及韩 国的公司在CuA1203复合材料的生产方面已具有相当的规模，并制订了相应的产品技术标 准。由于该类产品在国外仍被列为专利产品，生产工艺技术仍然保密。我国对CuA1203复合材料的研究起步较晚，20世纪70年代才开始正式立项，到 80年代末90年代中才有天津大学、哈尔滨工业大学、昆明冶金研究院、西安理工大学、北 京有色金属研究总院、昆明贵金属研究所等单位，相继开展了该类材料的研究和开发工 作。但是，由于CuA1203复合材料制备工艺复杂、组织均勻性差、致密度不高、生产成本高等 原因，国内相关单位仅仅建立了小规模的中试生产线，一直不能大规模化生产；同时制备 的CuA1203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，导致制作成 本较高；因此，各项技术性能指标均有待于进一步改善和提高。目前，国内使用的大多数 CuA1203复合材料仍然依赖于进口。目前，国内氧化铝颗粒增强铜基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、复合电 沉积法、机械合金化法、化学共沉淀法、反应合成法、内氧化法等。这些公知的制备方法虽然 都获得了 CuA1203复合材料，但都存在着明显的不足，主要表现为粉末冶金法制备工艺复 杂，成本高，生产效率低；机械合金化法制成的复合粉末在烧结的过程中会出现增强相三氧 化二铝的偏聚和长大，影响复合材料的性能；化学共沉淀法和复合电沉积法对环境有污染， 且化学共沉淀法得到的材料性能低下，复合电沉积法的颗粒在镀液中均勻悬浮不易控制； 反应合成法制备工艺复杂，要经过长时间的混粉和分段烧结；虽然内氧化法制备的CuA1203 复合材料综合性能较好，但在制备过程中，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，不利于工业化生产。此外，这些方法制备的 复合材料都不能直接制备锭、板、轮等近成形构件，材料制备工艺技术复杂，产品质量难以 控制，生产成本较高，不能形成规模化生产等。导致CuA1203复合材料的制备水平及综合性 能与国外相比存在着较大差距，规模化应用还依赖于进口的局面。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种制备工艺过 程易控制，原材料准备简单，制备的材料性能优异的喷射共沉积反应制备CuA1203复合材料的方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种喷射共沉积反应制备 CuA1203复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)将CuO粉末在温度为100°C 300°C的条件下处理0. 5h 2h ；(2)将Cu和A1的混合物置于喷射共沉积真空中频熔炼炉内合金化得到合金熔体， 所述混合物中A1的质量百分数为0. 4%，余量为Cu ；或将Cu和A1的混合物与改性 元素一同置于喷射共沉积真空中频熔炼炉内合金化得到合金熔体，所述改性元素为La、Ce 和Y中的一种或几种，所述改性元素的添加量为合金熔体质量的0. 01% 2% ；(3)待步骤⑵中所述合金熔体温度达到100°C 200°C后，打开雾化气阀门，同时 将合金熔体倒入保温包，并启动粉末输送装置输送步骤(1)中经处理后的CuO粉末，进行喷 射共沉积得到CuAl/CuO合金；所述CuO粉末的输送量为A1的3/2倍摩尔量，或者为A1和 改性元素物质的量之和的3/2倍；(4)将步骤(3)中所述CuAl/CuO合金在温度为800°C 1000°C的真空条件下原位 化学反应4h 10h，制备得到CuA1203复合材料；(5)将步骤⑷中所述CuA1203复合材料挤压加工成棒材或板材形状的CUA1203复 合材料，再进一步轧制或拉拔，最终根据应用要求再加工成片材、丝材、异型材或触头形状 的CuA1203复合材料。上述步骤(1)中所述CuO粉末的粒径为10 ii m 100 ii m。上述步骤(2)中所述Cu的质量纯度彡99. 9%，所述A1的质量纯度彡99. 9%。上述步骤⑵中所述合金化的温度为1040°C 1100°C。上述步骤(3)中所述喷射共沉积的沉积距离为300mm 400mm，雾化气体压力为 0. 8MPa 2. OMPa,导流管内径为3. 5mm 4. 5mm，沉积器转速为10rpm/min 40rpm/min。上述步骤(5)中所述挤压的温度为400°C 600°C。本发明与现有技术相比具有以下优点1、本发明通过喷射共沉积、原位化学反应等先进加工技术集成，可实现短流程、近 成形、强制均勻凝固制备CuA1203复合材料，具有生产效率高，加工成本低，产品质量稳定等 特点。2、本发明具有原材料准备简单，制备的材料性能优异等特点，且制备工艺过程易 控制、复合材料颗粒增强相的弥散分布是通过加工变形完成的，很好的解决了颗粒增强金 属基复合材料后续加工难的问题。3、本发明A1203颗粒在原位生成，界面新鲜，与Cu的结合牢固；且原位化学反应生 成的第二相颗粒达纳米级(粒径小于lOOnm)、均勻分布于Cu基体的晶内和晶界上，强化效 果明显，使材料的热稳定性和热强性明显改善，A1203的弥散分布是通过加工变形完成的，很 好的解决了复合材料后续加工难的问题。下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施例方式实施例1(1)将粒径为10 ii m的CuO粉末在温度为100°C条件下处理2h ；
(2)将质量纯度彡99. 9%的Cu和质量纯度彡99. 9%的A1的混合物置于喷射共沉 积真空中频熔炼炉内，在温度为1040°C条件下合金化得到合金熔体；所述混合物中A1的质 量百分数为0.1%，余量为Cu;(3)待合金熔体温度达到200°C后，打开雾化气阀门，同时将合金熔体倒入保温 包，并启动粉末输送装置输送经处理后的CuO粉末，进行喷射共沉积得到CuAl/CuO合金；所 述CuO粉末的量为A1的3/2倍摩尔量；所述喷射共沉积的沉积距离为300mm，雾化气体压 力为2. OMPa，导流管内径为3. 5mm，沉积器转速为10rpm/min ；(4)在真空条件下，对CuAl/CuO合金在温度为1000°C的条件下原位化学反应4h， 制备得到CuA1203复合材料；(5)将CuA1203复合材料在温度为400°C条件下挤压加工成棒材或板材形状的 CUA1203复合材料，再进一步轧制或拉拔，最终根据应用要求再加工成片材、丝材、异型材或 触头等形状的CuA1203复合材料。实施例2本实施例与实施例1制备方法相同，其中不同之处在于Cu0粉末的粒径为 100 iim，CuO粉末处理的温度为200°C，处理时间为0. 5h ；混合物中A1的质量百分数为2%; 合金化温度为1070°C，待合金熔体温度达到100°C后，打开雾化气阀门；喷射共沉积的沉积 距离为400mm，雾化气体压力为0. 8MPa，导流管内径为4mm，沉积器转速为25rpm/min ；原位 化学反应的温度为800°C，原位化学反应的时间为10h ；挤压的温度为600°C。实施例3本实施例与实施例1制备方法相同，其中不同之处在于Cu0粉末的粒径为55 u m, CuO粉末处理的温度为300°C，处理时间为1. 3h ；混合物中A1的质量百分数为4% ；合金化 温度为1100°C，待合金熔体温度达到150°C后，打开雾化气阀门；喷射共沉积的沉积距离为 350mm，雾化气体压力为1. 4MPa，导流管内径为4. 5mm，沉积器转速为40rpm/min ；原位化学 反应的温度为900°C，原位化学反应的时间为7h ；挤压的温度为500°C。实施例4(1)将粒径为10 ii m的CuO粉末在温度为100°C条件下处理2h ；(2)将质量纯度彡99. 9%的Cu和质量纯度彡99. 9%的A1的混合物与改性元素一 同置于喷射共沉积真空中频熔炼炉内，在温度为iioo°c条件下合金化得到合金熔体；所述 混合物中A1的质量百分数为0. 1%，余量为Cu ；所述改性元素为La，改性元素的添加量为 合金熔体质量的0.01% ；(3)待合金熔体温度达到200°C后，打开雾化气阀门，同时将合金熔体倒入保温 包，并启动粉末输送装置输送经处理后的CuO粉末，进行喷射共沉积得到CuAl/CuO合金； 所述CuO粉末的输送量为A1和La物质的量之和的3/2倍；所述喷射共沉积的沉积距离为 300mm，雾化气体压力为2. OMPa，导流管内径为3. 5mm，沉积器转速为10rpm/min ；(4)在真空条件下，对CuAl/CuO合金在温度为1000°C的条件下原位化学反应4h， 制备得到CuA1203复合材料；(5)将CuA1203复合材料在温度为400°C条件下挤压加工成棒材或板材形状的 CuA1203复合材料，再进一步轧制或拉拔，最终根据应用要求再加工成片材、丝材、异型材或 触头等形状的CuA1203复合材料。
实施例5本实施例与实施例4制备方法相同，其中不同之处在于所述改性元素为Ce或Y， 或者为La、Ce和Y中的至少两种，改性元素的添加量为合金熔体质量的2%。实施例6本实施例与实施例4制备方法相同，其中不同之处在于所述改性元素为Ce或Y， 或者为La、Ce和Y中的至少两种，改性元素的添加量为合金熔体质量的1%。实施例7(1)将粒径为100 ii m的CuO粉末在温度为300°C条件下处理0. 5h ；(2)将质量纯度彡99. 9%的Cu和质量纯度彡99. 9%的A1的混合物与改性元素一 同置于喷射共沉积真空中频熔炼炉内，在温度为1070°C条件下合金化得到合金熔体；所述 混合物中A1的质量百分数为2%，余量为Cu ；所述改性元素为Ce，改性元素的添加量为合 金熔体质量的2% ；(3)待合金熔体温度达到100°C后，打开雾化气阀门，同时将合金熔体倒入保温 包，并启动粉末输送装置输送经处理后的CuO粉末，进行喷射共沉积得到CuAl/CuO系合金； 所述CuO粉末的输送量为A1和Ce物质的量之和的3/2倍；所述喷射共沉积的沉积距离为 400mm，雾化气体压力为0. 8MPa，导流管内径为4mm，沉积器转速为25rpm/min ；(4)在真空条件下，对CuAl/CuO合金在温度为800°C的条件下原位化学反应10h， 制备得到CuA1203复合材料；(5)将CuA1203复合材料在温度为500°C条件下挤压加工成棒材或板材形状的 CuA1203复合材料，再进一步轧制或拉拔，最终根据应用要求再加工成片材、丝材、异型材或 触头等形状的CuA1203复合材料。实施例8本实施例与实施例7制备方法相同，其中不同之处在于所述改性元素为La或Y， 或者为La、Ce和Y中的至少两种，改性元素的添加量为合金熔体质量的0. 01%。实施例9本实施例与实施例7制备方法相同，其中不同之处在于所述改性元素为La或Y， 或者为La、Ce和Y中的至少两种，改性元素的添加量为合金熔体质量的1%。实施例10(1)将粒径为55 ii m的CuO粉末在温度为200°C条件下处理1. 2h ；(2)将质量纯度彡99. 9%的Cu和质量纯度彡99. 9%的A1的混合物与改性元素一 同置于喷射共沉积真空中频熔炼炉内，在温度为1040°C条件下合金化得到合金熔体；所述 混合物中A1的质量百分数为4%，余量为Cu ；所述改性元素为Y，改性元素的添加量为合金 熔体质量的；(3)待合金熔体温度达到150°C后，打开雾化气阀门，同时将合金熔体倒入保温 包，并启动粉末输送装置输送经处理后的CuO粉末，进行喷射共沉积得到CuAl/CuO系合金； 所述CuO粉末的输送量为A1和Y物质的量之和的3/2倍；所述喷射共沉积的沉积距离为 350mm，雾化气体压力为1. 4MPa，导流管内径为4. 5mm，沉积器转速为40rpm/min ；(4)在真空条件下，对CuAl/CuO合金在温度为900°C的条件下原位化学反应7h，制 备得到CuA1203复合材料；
(5)将cua1203复合材料在温度为600°c条件下挤压加工成棒材或板材形状的 cua1203复合材料，再进一步轧制或拉拔，最终根据应用要求再加工成片材、丝材、异型材或 触头等形状的cua1203复合材料。实施例11本实施例与实施例10制备方法相同，其中不同之处在于所述改性元素为La或 ce，或者为la、ce和y中的至少两种，改性元素的添加量为合金熔体质量的0. 01%。实施例12本实施例与实施例10制备方法相同，其中不同之处在于所述改性元素为La或 ce，或者为la、ce和y中的至少两种，改性元素的添加量为合金熔体质量的2%。本发明实施例1至实施例12制备的CuA1203复合材料的物理性能如表1所示。表1制备的CUA1203复合材料的物理性能
权利要求
一种喷射共沉积反应制备CuAl2O3复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)将CuO粉末在温度为100℃～300℃的条件下处理0.5h～2h；(2)将Cu和Al的混合物置于喷射共沉积真空中频熔炼炉内合金化得到合金熔体，所述混合物中Al的质量百分数为0.1％～4％，余量为Cu；或将Cu和Al的混合物与改性元素一同置于喷射共沉积真空中频熔炼炉内合金化得到合金熔体，所述改性元素为La、Ce和Y中的一种或几种，所述改性元素的添加量为合金熔体质量的0.01％～2％；(3)待步骤(2)中所述合金熔体温度达到100℃～200℃后，打开雾化气阀门，同时将合金熔体倒入保温包，并启动粉末输送装置输送步骤(1)中经处理后的CuO粉末，进行喷射共沉积得到CuAl/CuO合金；所述CuO粉末的输送量为Al的3/2倍摩尔量，或者为Al和改性元素物质的量之和的3/2倍；(4)将步骤(3)中所述CuAl/CuO合金在温度为800℃～1000℃的真空条件下原位化学反应4h～10h，制备得到CuAl2O3复合材料；(5)将步骤(4)中所述CuAl2O3复合材料挤压加工成棒材或板材形状的CuAl2O3复合材料，再进一步轧制或拉拔，最终根据应用要求再加工成片材、丝材、异型材或触头形状的CuAl2O3复合材料。
2.根据权利要求1所述的喷射共沉积反应制备CuAl2O3复合材料的方法，其特征在于， 步骤(1)中所述CuO粉末的粒径为10 μ m 100 μ m。
3.根据权利要求1所述的喷射共沉积反应制备CuAl2O3复合材料的方法，其特征在于， 步骤(2)中所述Cu的质量纯度>99.9%，所述Al的质量纯度>99.9%。
4.根据权利要求1所述的喷射共沉积反应制备CuAl2O3复合材料的方法，其特征在于， 步骤(2)中所述合金化的温度为1040°C 1100°C。
5.根据权利要求1所述的喷射共沉积反应制备CuAl2O3复合材料的方法，其特征在 于，步骤(3)中所述喷射共沉积的沉积距离为300mm 400mm，雾化气体压力为0. SMPa 2. OMPa,导流管内径为3. 5mm 4. 5mm，沉积器转速为10rpm/min 40rpm/min。
6.根据权利要求1所述的喷射共沉积反应制备CuAl2O3复合材料的方法，其特征在于， 步骤(5)中所述挤压的温度为400°C 600°C。
全文摘要
本发明公开了一种喷射共沉积反应制备CuAl2O3复合材料的方法，包括以下步骤一、CuO粉末的处理；二、制备合金熔体；三、喷射共沉积制备CuAl/CuO系合金；四、对CuAl/CuO系合金进行原位化学反应制备CuAl2O3复合材料；五、挤压、轧制、拉拔。本发明Al2O3颗粒的形成是通过原位化学反应合成的，反应界面新鲜，与Cu的结合牢固，且Al2O3颗粒的尺寸为纳米级，强化效果明显。本发明具有原材料准备简单，制备的材料性能优异等特点，且制备工艺过程易控制、复合材料颗粒增强相的弥散分布是通过加工变形完成的，很好的解决了颗粒增强金属基复合材料后续加工难的问题。
文档编号C22C9/00GK101984118SQ20101057541
公开日2011年3月9日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者姜婷, 李进, 李银娥, 杜明焕, 马光 申请人:西北有色金属研究院