[发明专利]金属玻璃颗粒增强纳米晶铜合金复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种金属玻璃颗粒增强纳米晶铜合金复合材料及其制备方法，该制备方法包括其包括如下步骤：准备CuCrZr合金粉末和CuZrAl金属玻璃合金粉末；将CuCrZr合金粉末和CuZrAl金属玻璃合金粉末混合后球磨，得到CuCrZr合金/CuZrAl金属玻璃复合粉末；对得到的CuCrZr合金/CuZrAl金属玻璃复合粉末采用放电等离子体烧结工艺进行烧结，烧结温度为400~450℃，烧结压力为400‑600 MPa。本发明的技术方案得到的复合材料，在较小的牺牲材料电导率的同时大幅度提升了力学性能；以金属玻璃为增强相，避免了传统增强相与基体界面不湿润的问题，实现基体与增强相之间的紧密结合。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种金属玻璃颗粒增强纳米晶铜合金复合材料及其制备方法，特别涉及一种兼具超高强度与优良电导率的金属玻璃颗粒增强铜合金复合材料及其制备方法。

背景技术

超高强铜合金材料是我国战略型新兴产业如载人航天、探月工程、卫星导航系统、核心电子器件、深水大型油气田开发及煤层气开发、雷达系统、电器工程等所必需的结构功能材料。铜及其合金因其高导电性、可成形性和耐腐蚀性，成为电导体的独特材料，也是高强高导材料理想选择。长期以来，高强高导铜材料的研究存在着一种强度和导电性的权衡，甚至贯穿于整个导电材料的研究。高强合金的强化方法主要有固溶强化、沉淀强化、细晶强化和变形强化。但这些强化方法会导致晶体中出现大量的微观缺陷，从而降低合金的导电性。如何在大幅度提高铜的强度的前提下，尽可能少地牺牲铜的导电性，即实现铜的高强高导，一直以来是一个热点问题。

当前国内外制备高强导电材料主要方法是在铜中加入低固溶度的合金元素，通过高温固溶处理，合金元素在铜基体中形成过饱和固溶体。时效处理过程中，过饱和固溶体分解，固溶的合金元素以沉淀相形式从铜基体中析出，合金的强度迅速提高，但电导率会随之降低。这类铜合金主要包括Cu-Be系、Cu-Ti系、Cu-Ni-Sn系、Cu-Ni-Mn系、Cu-Ni-Si系和Cu-Ni-Al系等。其中Cu-Be合金电导率≧18％IACS，强度≧1000MPa，是最为常见的高强导电材料，同时是所有的铍合金中是用途最广的一种，其用量在当今世界已超过铍消费总量的70％。工业发达国家在铍铜合金材料的生产和应用方面达到了极高水平，且相关装备与生产技术仍在革新；尤其是美国(以Materion集团为代表)和日本(以永木精械株式会社为代表)企业的生产规模都很大，生产技术和装备水平处于世界领先地位。但是，铍铜合金含剧毒物质铍，在制备、切削加工、抛光、焊接等操作中，细微颗粒(小于10μm)的粉尘会悬浮于空气中，操作工人若吸入过量，会导致“铍肺”职业病。并且作为生活中常见材料，铍铜应用安全性还需进一步的考量。此外，铍铜在高于150℃环境下的应力松弛率急剧增大，极易导致弹性元器件在工作状态下的接触压力发生改变，致使连接器工作失效。因此，开发新型的环保型超高强、高抗应力松弛、成形性能优良、可靠性高的导电弹性铜合金成为弹性材料研究热点。

此外，实现材料的高强度和高电导率兼具一直以来都是高强高导领域的焦点问题，尤其是近年来轨道交通、电子信息以及航空航天等领域的飞速发展，对高强高导材料提出了新的要求。国内外研究工作者针对这一问题进行了大量的探索，例如通过固溶、轧制和时效等方法，诱导Cu-Fe-Ti合金中纳米FeTi相析出，达到524MPa的屈服强度和69％IACS的导电率，该工艺对FeTi相的析出难以控制并且材料强度并不理想。此外，采用液氮温度下动态塑性变形的方法，将纳米颗粒引入纳米Cu-Ag固溶体中，实现了高屈服强度(806MPa)和高导电率(80％IACS)，但是该方法工艺复杂且只能制备带材样品，离工业应用甚远。并且上述材料在400℃条件下保温10min材料强度骤降至527MPa，低的热稳定性也导致材料难以广泛应用。上述研究表明，高强度高导电材料的获得不仅依赖于Cu和Cu合金本身的优化，还需要强化相的参与。常见的强化相一般以高强度陶瓷颗粒为主，如NbC、TiC、Al₂O₃等，通过物理或化学的方法制备复合材料，但是铜基体与强化相界面失效问题一直难以解决。

因此，开发新型高强度高导电性复合材料具有重要的理论价值和广阔的应用前景。

发明内容