[发明专利]一种梯度纳米孪晶铜块体材料及其温度控制制备方法

说明书

本发明公开了一种梯度纳米孪晶铜块体材料及其温度控制制备方法，属于纳米结构金属材料技术领域。该材料采用直流电解沉积技术制备，微观结构由微米级的柱状晶粒组成，柱状晶粒内存在纳米级的孪晶片层；在垂直于沉积面的方向上晶粒尺寸、孪晶片层厚度和截面样品硬度呈现由大到小或由小到大的连续梯度变化。该材料综合了纳米孪晶结构与梯度结构两种有效的强韧化结构，更有效地提高了纯铜材料的力学性能。该材料的屈服强度可达479±16MPa，抗拉强度可达到520±12MPa，同时均匀延伸率可达到7±0.5％。本发明在直流电解沉积技术制备过程中，通过控制电解液温度的变化类型即可得到不同梯度类型的梯度纳米孪晶铜材料。

技术领域

本发明涉及纳米结构金属材料技术领域，具体涉及一种梯度纳米孪晶铜块体材料及其温度控制制备方法。

背景技术

铜是人类使用最早和最广泛的有色金属，我国从古代周朝时期就开始大量使用青铜制作钟鼎和武器。迄今为止，因为铜材料具有优良的导电性、导热性、延展性、耐腐蚀性、耐磨性等性质，仍被广泛地应用于电力、电子、能源及石化、机械及冶金、交通、轻工等领域。

但是，纯铜材料的强度较低，很难满足工业应用的要求。为了提高铜材料的强度，通常会通过固溶强化的方式选择加入一些其它合金元素(如Zn、Al、Fe、Ni、Ag、Si、Sn等)，或者细化晶粒强化以及塑性变形强化。但是这些强化方法都会引起纯铜材料塑性和导电性的降低。

随着现代工业的高度发展对铜材料提出更高的要求，比如在高度集成化、微型化的计算机行业和无线电通讯行业要求铜导线要具有高的强度、导电性和稳定性；在汽车工业中用于高温中的连接部件需要高强度、高塑性及稳定性的铜材料，等等。因此，如何在提高纯铜材料强度的同时又能保持其优异的塑性和导电性，这一问题变得越来越关键。

目前能有效提高铜材料强度的同时还能使其保持良好的塑性的方法主要有两种，分别为纳米孪晶结构强化和梯度纳米晶结构强化。

纳米孪晶结构强化，是通过在纯铜材料内引入大量的纳米级孪晶片层实现其强化。在塑性变形中，大量的共格孪晶界一方面能阻碍位错的运动实现纯铜材料强度的提高，另一方面能够储存大量的位错能够是纯铜材料保持较好的塑性。另外，此种强化方式能提高纯铜强度的同时能保持良好的塑性、导电性和稳定性。但是利用直流电解沉积制备出的纳米孪晶铜材料的强度和塑性仍呈倒置关系，并且当其屈服强度高于440MPa时几乎无塑性变形能力。

梯度纳米晶结构强化，早期是通过在纯铜表面机械研磨处理得到一种从表面纳米晶逐渐过渡到芯部粗晶的梯度纳米晶结构，实现了使粗晶纯铜材料强度提高的同时几乎不损失其塑性。但与纳米孪晶铜相比，梯度纳米晶铜的强度较低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的铜材料难以兼具强度和韧性的问题，本发明的目的是提供一种梯度纳米孪晶铜块体材料及其温度控制制备方法，所制备的梯度纳米孪晶铜块体材料，借助纳米孪晶结构强化和梯度结构强化两种有效的强韧化方法，获得具有较高强度以及良好塑性的铜材料。

为了实现上述目的，本发明所采用的的技术方案如下：

一种梯度纳米孪晶铜块体材料，该材料是采用直流电解沉积技术制备而成；该材料由微米级的柱状晶粒构成，柱状晶粒内部具有纳米级的孪晶片层，大多数孪晶界平行于样品沉积面。所述柱状晶粒尺寸范围为1-60μm，孪晶片层厚度范围为1nm～1000nm；该块体材料在垂直于沉积面的方向上，柱状晶粒尺寸和孪晶片层厚度都呈现由大到小或由小到大的连续梯度变化。

该块体材料在垂直于沉积面的方向上，显微硬度呈现由大到小或由小到大的连续梯度变化；硬度值范围为0.7-1.9GPa。