[发明专利]一种准晶颗粒增强铜基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铜基复合材料技术领域，尤其涉及一种准晶颗粒增强铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料具有高比强、高比模、低密度、耐热好等特点，但目前准晶颗粒复合材料中增强相多为如Mg-Zn-Y、Al-Mn等二十面体准晶，这些材料如果是采用普通的凝固的方式制备容易产生裂纹、疏松等缺陷。

Al-Co-Ni准晶是热力学稳定的二维十次准晶，具有硬度高，高温下准周期结构稳定的特点。近年来，常采用粉末冶金法作为制备非连续增强相金属基复合材料的工艺，可根据材料的性能要求，将准晶硬质颗粒和基体金属粉末以任何比例混合，其特点是制备温度不高，界面反应可控，这种以颗粒增强材料与基体金属粉末，不仅可降低增强体材料与基体湿润性的要求，也降低了增强体材料与基体材料密度差的要求，如使Al-Cu-Fe二十面体准晶颗粒和碳晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中(T.P.Yadav,et al.Materials Letters,2012(80):5-8)。采用挤压铸造工艺制备Mg-Zn-Y准晶增强AZ91D镁基复合材料(Yang Ling,et al.Trans.Nonferrous Met.Soc.China,2015(25):3936-3943)，其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；采用挤压铸造、热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的综合性能。

发明内容

为了克服铜合金硬度不高的问题，本发明提供了一种准晶颗粒增强铜基复合材料及其制备方法，本发明以高硬度的Al-Co-Ni十次准晶颗粒作为增强体，制备准晶增强铜基复合材料。利用粉末冶金法制备准晶增强铜合金其具体方法就是将准晶颗粒与金属粉末混合后在室温静压成形，然后在高温下热处理生成由准晶颗粒增强的金属基复合材料，也可以将准晶相颗粒在相变温度下热处理，从而获得致密的金属基复合材料，其原理是准晶颗粒阻止了位错在基体金属材料中运动，并通过热扩散的方式对基体组织与增强体之间的界面状态进行控制。

本发明采用如下技术方案：

本发明的准晶颗粒增强铜基复合材料，其中，增强颗粒为铝钴镍准晶，准晶相的含量为95.5～98.5wt％，平均硬度值为90～130HRB。

所述准晶相成分(原子百分比)组成为Al 69.1～72.0at％、Co 20.2～23.3at％、Ni 8.1～12.5at％、其余为C、Si及不可避免的杂质含量小于0.01at％。

本发明的准晶颗粒增强铜基复合材料的制备方法的具体步骤如下：

1)利用真空熔炼炉熔炼准晶合金材料，将高纯铝、钴、镍金属粉按照不同配比在真空感应炉中熔炼制成铸锭，通过快速冷却处理后得到热力学稳定的铸态Al-Co-Ni准晶，该准晶相成分(原子百分比)组成为Al 69.1～72.0at％、Co 20.2～23.3at％、Ni 8.1～12.5at％、其余为C、Si及不可避免的杂质含量小于0.01at％；

2)将铝钴镍铸锭材料块样，置于玛瑙钵中捣碎，用高速行星球磨机在乙醇保护下碾磨2～5h；

3)将准晶粉体材料置于真空干燥箱中升温至60～80℃干燥30～120min，取出粉体按照质量百分比5～25％的准晶颗粒和纯铜粉混装于容器中，在氩气保护气氛下热处理；

4)控制反应温度降低到准晶相变点以下10～25℃进行热处理60～120min，再次增加所述准晶颗粒增强铜基复合材料的硬度。

步骤1)的详细操作方法如下：

(1)用乙醇清洗圆柱形模具，使模具柱型内腔洁净；将圆柱形模具置于干燥箱中预热，预热温度200℃；

(2)打开真空感应熔炉，用砂纸清理熔炼坩埚内部，并用丙酮清洗干净坩埚表面；将纯铝块、纯钴块、纯镍块分别按照Al为69.1～72.0at％、Co为20.2～23.3at％、Ni为8.1～12.5at％置于坩埚内；

(3)关闭真空感应熔炉，开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强≤15Pa；启动真空感应熔炉加热电源，炉内开始升温，最终加热温度1500℃±5℃，加热时间30min；

(4)除去坩埚内熔液表面熔渣，对准预热的圆柱形模具浇口，进行浇铸并铸满；

(5)关闭电源，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至800～850℃，水冷后脱模得到铝钴镍准晶合金；

步骤2)中，将球磨后的准晶细粉用500～800目细粉筛筛选，通过筛选后得到粒径10～30μm的准晶粉末。