一种非晶包覆的铜粉体及其制备方法

本发明属于粉末冶金的粉体制备，涉及一种非晶层包覆的cu粉体及其制备方法。

背景技术：

1、氧化物弥散强化(ods)铜合金具有高电导率和热导率，抗电弧烧蚀、抗磨损，高温力学性能和加工性能优异，可用作电阻焊电极、等离子切割枪喷嘴、高速列车异步牵引电动机转子、低压电器触头及触头支座、继电器铜片、集成电路引线框架、导电弹性材料、高温导电排、燃烧室衬套等部件材料，应用领域广泛。目前，ods-cu合金实际生产主要依托内氧化粉末冶金技术：先通过内氧化法获得cu基体的弥散氧化物，制备出粉末烧结胚后，后续需要经热挤、冷拔、退火等多道工序改善组织性能。现有商用化ods-cu主要是美国scm公司的gildcop系列牌号的al2o3-cu。

2、粉体改性有利于提高ods-cu烧结体中的氧化物状态(大小、形态与分布)以及材料组织均匀性与性能。目前已有的粉体改性方法大都集中在如何直接获取理想尺度复合粉体方面。例如aghamiria等人以铜粉和y2o3粉为原料，硬脂酸作为过程控制剂，采用机械合金化制备出一种28nm纳米氧化物粒子强化的y2o3-cu。在单一粉体的表面改性方面，鉴于氧化物与金属亲和力差的事实，人们只是通过化学方法实现了氧化物这类硬质颗粒的表面改性，至今尚无主体铜粉软性颗粒表面包覆改性的研究报道。例如熊惟皓等人采用化学镀技术获得了ni包覆的y2o3粉末；lu等也实现了al2o3颗粒表面的化学镀铜。现有粉体表面改性技术普遍存在着：控制参数多、生产流程复杂、周期长、工艺可控与再现性差等不足，特别是，杂质种类与含量难以控制等。这些问题都将影响后续合金粉体的烧结效果。

3、基于目前尚无物理法包覆铜粉颗粒表面改性的事实，本申请拟利用al-y-cu非晶合金组织/成分均匀性高、熔点低、过冷液相区内易发流变等特点，将其作为表面包覆层，通过机械球磨法成功发展出一类特殊的纳米厚度非晶层包覆的cu粉材料。这种材料不仅能在较低温度下实现高致密胚体烧结，还可克服现有粉末冶金法制备ods-cu材料时的种种不足，可用于烧结制备氧化物弥散相均匀分布的ods-cu致密烧结体。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种非晶包覆的铜粉体及其制备方法，以解决目前粉末冶金法制备ods-cu材料时存在的以下问题：(1)尚未实现主体铜粉软性颗粒的物理法表面包覆改性；(2)已有粉体表面改性常用化学方法，存在控制参数多、生产流程复杂、周期长、工艺可控与再现性差，以及杂质种类与含量难以控制等；(3)晶态改性层存在熔点高、流动性差等不足，将导致后续粉末烧结温度高、晶粒粗大以及界面结合力弱等问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种非晶包覆的铜粉体，即铜粉颗粒表面覆盖着一层纳米厚度的非晶薄膜。所述非晶薄膜包覆层的化学成分式为al100-a(cu100-byb)a，包括y和cu，al元素，其中10≤a≤25，25≤b≤45为原子百分比成分。

4、进一步的，所述的纳米非晶包覆层(即合金薄膜)的厚度处于10～30nm之间，铜粉颗粒大小可在10～30μm范围变动。

5、一种纳米非晶层包覆的铜粉体制备方法，首先通过电弧熔炼结合熔体雾化技术制备熔点低于700℃的al100-a(cu100-byb)a非晶态合金粉体，将其作为包覆层母材料与铜粉主体混合，进行高能球磨，导致al100-a(cu100-byb)a非晶在铜粉体表面粘连、铺展，最终于铜粉颗粒外表形成纳米厚度的薄膜。铜粉、包覆层母材料以及球磨工艺一定时，通过改变包覆层母材料的添加量可实现铜粉颗粒表面非晶薄膜厚度的调控。

6、具体步骤如下：

7、(1)第一步，制备al100-a(cu100-byb)a粉体材料

8、首先，以工业纯金属为原料，配置原子百分比成分为cu100-byb合金，将其置于非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至≤5×10-2pa，并充入0.01～0.02mpa的工业纯ar气进行非自耗电弧熔炼，熔炼的工作电流为150～180a；将合金上下翻转反复熔炼3次，获得成分均匀的cu100-byb合金锭；接着，将cu100-byb合金锭破碎，与工业纯al一起，配置原子百分比成分为al100-a(cu100-byb)a合金，置于非自耗电弧熔炼炉中熔炼成锭，熔炼电流为100～120a，合金上下翻转反复熔炼3次，使al100-a(cu100-byb)a合金锭成分均一。

9、将al100-a(cu100-byb)a合金锭破碎，放入石墨坩埚内，进行雾化制粉：通过中频感应加热，至一定温度(略高于al100-a(cu100-byb)a合金熔点)保温2～5min。利用雾化技术将其喷出冷却(雾化气体喷压为1～5mpa，导流杆喷嘴孔径为1mm)，得到球形粉体材料，其粒径在5μm～50μm之间。采用扫描电镜观察粉体外形，并通过x射线衍射(xrd)和电子显微镜技术确认粉体的非晶态结构。

10、(2)第二步，制备非晶层包覆铜粉

11、首先，基于所选用的铜粉(商用，市售)粒度，筛分、选择与铜粉大小相当的al100-a(cu100-byb)a非晶粉，按所需比例称重、混合。然后，将其与磨球(料球比为1:5～1:10)装入球磨罐进行高能球磨，球磨机转速为100～150rpm，球磨时间为10～30h。最后将球磨后的粉体取出备用。

12、通过扫描电镜与电子显微镜(带能谱附件)技术对步骤二中所制得的粉体进行观测。结果表明：铜颗粒表面形成了一层非晶薄膜，薄膜成分接近al100-a(cu100-byb)a包覆层母材料，非晶包覆层的厚度处于10～30nm之间，铜颗粒的大小可在10～30μm范围变动。

13、本发明的有益效果是：

14、(1)本发明成功制备了纳米厚度非晶层包覆的铜粉体；

15、(2)通过调控包覆层母材料添加量，可在铜粉颗粒表面获取不同厚度的非晶包覆层；

16、(3)这种纳米非晶层包覆的铜粉材料可实现铜粉材料的液-固反应烧结，能明显降低铜材料的烧结温度和提升烧结体致密度，有利于提高ods-cu铜基烧结材料的性能和生产效率。

技术特征：

1.一种非晶包覆的铜粉体，其特征在于，所述的铜粉体为铜粉颗粒表面覆盖一层纳米厚度的非晶薄膜，纳米非晶薄膜包覆层的化学成分式为al100-a(cu100-byb)a，包括y和cu，al元素，其中10≤a≤25，25≤b≤45为原子百分比成分。

2.根据权利要求1所述的一种非晶包覆的铜粉体，其特征在于，所述的纳米非晶包覆层的厚度处于10～30nm之间，铜粉颗粒大小可在10～30μm范围变动。

3.一种权利要求1或2所述的纳米非晶层包覆的铜粉体制备方法，其特征在于，通过电弧熔炼结合熔体雾化技术制备熔点低于700℃的al100-a(cu100-byb)a非晶态合金粉体；将其作为包覆层母材料与铜粉主体混合，进行高能球磨，使得al100-a(cu100-byb)a非晶在铜粉体表面粘连、铺展，最终于铜粉颗粒外表形成纳米厚度的薄膜；当铜粉、包覆层母材料以及球磨工艺一定时，通过改变包覆层母材料的添加量可实现铜粉颗粒表面非晶薄膜厚度的调控。

4.根据权利要求3所述的一种纳米非晶层包覆的铜粉体制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

5.根据权利要求4所述的一种纳米非晶层包覆的铜粉体制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，获得cu100-byb合金锭的熔炼过程中，工作电流为150～180a；获得al100-a(cu100-byb)a合金锭的熔炼过程中，工作电流为100～120a。

技术总结
一种非晶包覆的铜粉体及其制备方法，属于粉末冶金的粉体制备技术领域。所述铜粉体为在铜粉颗粒表面覆盖一层10～30nm纳米厚的非晶薄膜，包覆层的化学成分式为Al<subgt;100‑a</subgt;(Cu<subgt;100‑b</subgt;Y<subgt;b</subgt;)<subgt;a</subgt;，其中10≤a≤25，25≤b≤45为原子百分比成分。首先通过电弧熔炼结合熔体雾化技术制备熔点低于700℃的Al<subgt;100‑a</subgt;(Cu<subgt;100‑b</subgt;Y<subgt;b</subgt;)<subgt;a</subgt;非晶态合金粉体，将其作为包覆层母材料与铜粉主体混合，进行高能球磨，导致Al<subgt;100‑a</subgt;(Cu<subgt;100‑b</subgt;Y<subgt;b</subgt;)<subgt;a</subgt;非晶在铜粉体表面粘连、铺展，最终于铜粉颗粒外表形成纳米厚度的薄膜。本发明成功制备了纳米厚度非晶层包覆的铜粉体；通过调控包覆层母材料添加量，可在铜粉颗粒表面获取不同厚度的非晶包覆层；可实现铜粉材料的液‑固反应烧结，能明显降低铜材料的烧结温度和提升烧结体致密度，有利于提高ODS‑Cu铜基烧结材料的性能和生产效率。

技术研发人员：羌建兵,王英敏,单光存,陈旭洲,邓翔,张骏峰,王建豹,练友运,米少波,张吉亮,房灿峰
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14