[发明专利]利用机械合金化制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料制备技术领域，提供了一种制备(TiB₂+TiC) 弥散强化铜基复合材料的方法，可用于电力产业、国防工业、集成电路、焊接 设备等领域广泛应用的高强高导铜基复合材料的生产制备。

背景技术

高强高导铜合金是一类有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料， 在众多工业领域中有着不可替代的作用，广泛应用于集成电路的引线框架口、 各类点焊和滚焊机的电极、大功率异步牵引电动机转子、电气化铁路接触导线、 热核实验反应堆(ITER)偏滤器垂直靶散热片等电力、电工、机械制造领域。 但是，铜合金中的强度和导电性一直是一对相矛盾的特性，此消彼涨，一般只 能在牺牲电导率和热导率的前提下改善铜的力学性能，以获得高的强度。如何 解决这一矛盾，一直是高强高导铜合金研究的关键课题。

目前获得高强高导铜合金的途径主要有两种：一是合金化途径，即向铜中 引入合金元素以形成铜合金来进行强化；二是复合化途径，即向铜基体中引入 第二强化相以形成复合材料来进行强化。

合金化法是在铜中添加合金元素，溶质原子溶入晶格后会引起晶格点阵畸 变，造成应力场，从而使强度提高。传统的合金化法主要通过固溶强化和析出 强化等手段来强化铜基体。根据合金固溶强化原理，铜合金中常用的固溶合金 元素有Sn、Cd、Ag等。根据析出强化原理，目前已开发的该类铜合金有Cu-Cr、 Cu-Zr、Cu-Ti、Cu-Fe等。合金化法的优点在于技术较成熟、工艺简单、成本较 低，适宜规模化生产。其缺点是晶体中畸变的点阵对运动电子的散射作用相应 加剧，降低了导电性。一般只能在牺牲电导率的前提下改善铜的力学性能。合 金化法制备的铜合金强度在350～650MPa之间，电导率一般不超过90％IACS， 难以满足新一代电器件对性能的要求。

根据导电理论，第二相在铜基体中的引起的电子的散射作用比固溶原子在 铜基体中引起的散射作用弱得多，故复合强化不会引起铜基体导电性的明显降 低，且增强相还能改善基体的机械性能，成为获得高强度高导电性铜合金的主 要手段。研究资料表明，利用材料复合化制备的Cu-Ta、Cu-Nd等复合材料强度 大于1400MPa，导电率达90％IACS以上，并已得到工程应用。复合化途径根据 强化相引入方式的不同可以分为人工复合法和原位复合法。

人工复合法通过人为地向铜中加入第二相的晶须或纤维对铜基体进行强 化，或依靠强化相本身来增大材料强度的方法，例如氧化强化法、机械合金化 法以及碳纤维复合法等。人工复合法的特点是部分方法比较成熟，其产品已获 得工程应用，但工艺复杂，生产成本高。原位复合法是向铜中加入一定量合金 元素，通过一定工艺，使铜内部原位生成增强相，而不是加工前就存在增强体 与基体铜两种材料，包括塑性变形复合法、原位反应复合法和原位生长复合法。 对比人工复合法，原位复合法所获得的产品中基体和第二相界面相容性更好， 制备工艺步骤减少，生产成本降低。

二硼化钛(TiB₂)具有高熔点、低密度、优良的导热和导电性等诸多优点， 在导电陶瓷材料、复合陶瓷材料等领域被广泛使用。碳化钛(TiC)是一种FCC 结构的间隙化合物，具有高硬度、高熔点、低电阻率等诸多优点，广泛应用于 粉末冶金等领域。在Al、Fe、Cu等金属材料中添加TiB₂和TiC，可以充分发 挥金属基体和TiB₂和TiC增强相各自的优势，获得高性能的金属基复合材料。 传统的(TiB₂+TiC)弥散强化金属基复合材料制备需要先分别得到TiB₂和TiC 超细粉体，然后通过一定的方法把TiB₂和TiC分散到Cu基体中。但TiB₂和TiC 超细粉体的制备工艺较为复杂，导致(TiB₂+TiC)弥散强化金属基复合材料的 制备工序较多，生产成本较高。