弥散强化铜及掺杂对其性能影响
纳米颗粒弥散强化铜基复合材料的显微组织与性能
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｒ ｅｎｆ ｃ ｄ ｂ ｔ ｅ ｎ ｄ ｆｅ ｅ ｔｐａ ｔｃ ｅ ｔ ｐｅ ｉｈ Ａ １ Ｏ３， Ｏ２， Ｃ ｎｄ Ｍ ｇ ｎａ ｐａ ｔｃ ｅ ， ｏ ｉ ｏｒ ｅ ｅ ｗ ｅ ｉｆ ｒ ｎ ｒ ｉｌ ｙ ｓｗ ｔ ２ Ｓｉ Ｓｉ ａ Ｏ ｎｏ ｒｉ ｌ ｓ ｆ ｕｒ ｎａ ｏｃ ｍ ｐ ｉｅ ｅ ｅ ｎ ｏ ｏｓｔ ｓｗ ｒ ｐｒ ｐａ ｅ ｂｙ ｏ ｄ ｒ ｅ ａ ｌ ｒ ｅ ｈｏ ．Ｅｆｅ ｔ ｏ ｓ ｒ ｎ ｈｅ ｎｇ ｈａ ｅ ｏ ｈｅ ｅ ｒｄ ｐ ｗ ｅ ｍ ｔ ｌｕ ｇｙ ｍ ｔ ｄ ｆ ｃ ｓ ｆ ｔ ｅ ｇｔ ｎｉ ｐ ｓ ｓ ｎ ｔ
第 ２ ６卷 第 ３期 ２１
大
学
学
报
Ｖｏ． ６ＮＯ ３ １２ ． Ｓｅ ｔ ２ ） ２ ｐ ． （１
Ｊ ｕＲ Ｏ ＮＡＩ ＯＦ Ｓ ＨＡＮＧＨＡＩ ＵＮＩ Ｒ Ｉ ＮＧ ＮＥＥ Ｉ Ｃ ＥＮＣ ＶＥ Ｓ ＴＹ ０Ｆ Ｅ Ｉ Ｒ ＮＧ Ｓ Ｉ Ｅ
Ｍ ｉ ｒ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｄ Ｐｒ ｐ ｒ ｉ ｓ ｏ ｓ ｅ ｓ ｏ ｔ ｅ ｇ ｈ ｎｅ ｃ ｏ ｔ ｕ ｔ ｒ ｎ ｏ ｅ ｔｅ ｆ Ｄｉ ｐ ｒ ｉ ｎ Ｓ ｒ ｎ ｔ ｅ ｄ
Ｃｏ ｐ ｒ Ｍ ａ ｒ ｘ Ｃｏ ｐ ｓｔ ｓ ｂ ｎ０ ｒ ｉ ｌ ｓ ｐ ｅ ｔ ｉ ｍ ｏ ｉｅ ｙ Ｎａ ｐａ ｔｃ ｅ
Ｆ Ｕ Ｙｕｎｌ ｎ １，ＧＯ Ｎ Ｇ ｏ ｇｙｉ ＳＯ Ｎ Ｇ ｅ ｎｇ２ ｏ ｇ Ｈ ｎ ｎｇ１。 Ｋ ｘｉ
（ ． １ Ｃｏｌ ｇｅ ｏ ａ ｅ ｉ ｌ ｇ ｎｅ ｒｎ ｌ ｆＭ ｔ ｒａ ｓ Ｅｎ ｉ ｅ ｉ ｇ，Ｓ ａ ｇ ａ ｅ ｈ ｎ ｈ ｉＵｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ Ｓ ｉｎ ｅ ｉ ｅ ｓｔ ｆＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｃ ｅ ｃ ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ６ ０，Ｃｈ ｎ ｈ ｎ ｈ ｉ ｌ ２ ２ ｉ ａ； ２ Ｓ ｈ ｏ ｆＭ ａ ｅ ｉ ｌ ｃ ｅ ｃ ｎ ｇｉ ｅ ｒｎ ． ｃ ｏ ｌｏ ｔ ｒａ ｓ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｅｎ ｎ ｅ ｉ ｇ，Ｈ ｅ ａ ｎ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎｏ ｏ ｉ ｅ ｓｔ ｆ Ｓ ｉ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｌｇｙ，Ｌ ｏ ａ ｇ ４ ０ ） ｕ ｙ ｎ ７１ １ ３，Ｃｈ ｎ ） ｉａ
碳化物弥散强化铜基复合材料的研究
碳化物弥散强化铜基复合材料的研究一、本文概述随着材料科学技术的快速发展，铜基复合材料作为一种重要的工程材料，在航空航天、电子、能源、汽车等领域的应用日益广泛。
碳化物弥散强化铜基复合材料作为铜基复合材料的一种，凭借其优异的力学性能、导电导热性能以及良好的加工性能，成为了材料科学研究领域的热点之一。
本文旨在深入研究碳化物弥散强化铜基复合材料的制备工艺、组织结构与性能之间的关系，探讨其强化机制，为优化材料的性能和应用领域提供理论依据。
文章首先综述了国内外关于碳化物弥散强化铜基复合材料的研究现状和发展趋势，然后从材料的制备工艺出发，详细分析了碳化物的种类、形貌、尺寸及其在铜基体中的分布状态对复合材料性能的影响。
接着，文章通过实验和理论分析，深入探讨了碳化物弥散强化铜基复合材料的强化机制，包括细晶强化、位错强化、弥散强化等。
文章总结了研究成果，指出了研究中存在的问题和未来的发展方向，为碳化物弥散强化铜基复合材料的进一步研究和应用提供了参考。
二、碳化物弥散强化铜基复合材料的制备碳化物弥散强化铜基复合材料是一种通过引入碳化物颗粒来增强铜基体性能的新型复合材料。
其制备过程涉及到原料选择、粉末冶金、热处理和后期加工等多个环节，下面将详细介绍这一过程。
原料的选择是制备碳化物弥散强化铜基复合材料的关键。
一般来说，铜基体材料选用高纯度电解铜粉，以保证基体材料的优良导电性和塑性。
而碳化物增强相则可以根据需要选择如碳化硅（SiC）、碳化钛（TiC）等具有高硬度、高热稳定性的碳化物粉末。
接下来是粉末冶金过程，包括混合、压制和烧结等步骤。
在混合阶段，将铜粉和碳化物粉末按一定比例混合均匀，同时加入适量的成形剂和润滑剂，以提高压制过程中的成形性和烧结过程中的流动性。
混合后的粉末经过压制成型，形成所需形状的生坯。
然后在一定的温度和压力下进行烧结，使生坯中的粉末颗粒相互扩散和结合，形成致密的复合材料。
热处理是制备过程中的重要环节，其目的是消除材料内部的残余应力、提高材料的致密性和力学性能。
弥散强化铜功能材料
缺点： 内氧化所需氧量难以控制 工艺复杂
弥散强化铜〃实验室研究
Al₂O₃/Cu复合材料 值得我们研究 需要我们研究 如何使增强相弥散均匀分布在铜合金基体中 陶瓷金属界面润湿性差，结合程度低 工序繁琐，工艺参数难以稳定
1. 颗粒硬度高，高温下热稳定性好 2. 生成自由能负值大，结构稳定 3. 对Cu基体不溶性
弥散强化铜〃实验室研究
Al₂O₃/Cu复合材料 1. 行星高能球磨能有效固溶Al₂O₃颗粒和掺杂元素到铜基体中，并 制备的弥散强化铜粉末粒径小，均匀分布 2. 弥散强化铜进行微量银掺杂，银元素在Al₂O₃与Cu界面偏聚，有 效抑制了氧化铝晶粒长大，改善了材料力学性能
高强度（强度可达550MPa，为纯铜2倍）
性能 高导电率和导热率（导电率可达 85%IACS，与纯铜相近）
良好高温强度（软化温度达800-900℃）
结构 应用
工艺
弥散强化铜〃结构与性能
亚微米甚至纳米级增强相微粒在晶向传输会受到界面的散射而减弱。增强相粒子的存在 肯定会降低导电率，但是第二相粒子颗粒细小并且弥散均匀 结构 工艺 分布，对自由电子的散射作用较小，并不会明显影响导电率
弥散强化铜〃制备工艺
性能
1. 机械合金化法
2. 机械混合法 3. 复合电沉积法 1. 内氧化法
外加颗粒法
结构 原位合成法
2. 溶胶 -凝胶法 工艺 3. 共沉淀法
弥散强化铜〃机械合金化
在机械力的作用下，粉末经过反复挤压、变形、断裂、焊合过程， 最终形成弥散巨晕分布的超细粒子
增强相 粒子
Cu粉
机械合金化
弥散强化铜功能材料
弥散强化铜〃提纲
1/ 介绍 2/ 应用 3/ 强化机制 4/ 制备工艺 5/ 实验室研究
弥散强化铜及掺杂对其性能影响
铜及弥散强化铜简介
弥散强化铜良好的抗软化性能
弥散强化机理
1、屈服强度问题 Orowan机制（位错绕过机 制） 适用于第二相粒子较硬并 与基体界面为非共格的情形 切割机制 适用于第二相例子较软并 与基体共格的情形 2、蠕变问题 金属在恒定应力下，除瞬 时形变外还要发生缓慢而 持续的形变，称为蠕变 （1）弥散相是位错的障碍， 位错必须通过攀移始能越 过障碍 （2）第二相粒子沉淀在位 错上阻碍佐错的滑移和攀移
目前以A12O3p/Cu基复合材料性能最优 （以下内容将以A12O3p/Cu 为例进行说明）
铜及弥散强化铜简介
弥散相粒子的选择
（1）具有高度化学稳定性和结构稳定性； （2）不溶于基体，不与基体发生反应 （3）基体与弥散相之间的界面能要低
铜及弥散强化铜简介
弥散强化铜具有良好的物理性能
IACS: International Annealed Copper Standard。用来表 征金属或合金的导 电率（参比于标准 退火纯铜）。一般 定义标准退火纯铜 的导电率为 100%IACS，既是 5.80E+7(1/Ω·m） 或58(m/Ω·mm2 )
铜及弥散强化铜简介
铜的力学性能 室温下延展性：30%~45%（软态）、 4%~6%（硬态）； 抗拉强度：216~235MPa（软态）、 363~412MPa（硬态） 中碳钢的σb为600～1100MPa 纯铜冷轧后在82℃长时间停留，强度即 回复到冷轧前的状态
铜及弥散强化铜简介
铜 提高强度：应变强化、固溶强化等 固溶强化：易发生再结晶、固溶强化大 大降低材料导电率，适于室温用铜材料 用第二相强化来提高性能：弥散强化 对运动电子的散射作用：溶质原子引起的 点阵畸变＞第二相界面
弥散强化铜的主要制备方法
弥散强化铜弥散相特征与其性能的关系
弥散强化铜弥散相特征与其性能的关系
王永朝;刘国元;付自来;陈会东;雷竹芳;李文甫
【期刊名称】《材料开发与应用》
【年(卷),期】2012()4
【摘要】研究了不同氧化铝含量弥散铜中弥散相特征与其性能的关系。
结果表明,低氧化铝含量的弥散铜中纳米相颗粒粒度均匀、弥散分布,颗粒间距较大。
该材料塑性好,加工硬化速度慢。
中等氧化铝含量的弥散铜纳米相粒度均匀、弥散分布,颗粒间距小,加工硬化速度快。
高氧化铝含量弥散铜的纳米相存在多种形貌,且分布的均匀性差,材料难以加工。
【总页数】7页(P27-32)
【关键词】铜合金;弥散强化铜;弥散相;纳米氧化铝
【作者】王永朝;刘国元;付自来;陈会东;雷竹芳;李文甫
【作者单位】中国船舶重工集团公司等七二五研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.11
【相关文献】
1.弥散强化铜合金中弥散相的观察及析出过程 [J], 陆艳杰;崔舜;康志君;周文洪
2.雾化方法对弥散强化铜材料性能与冷加工性能影响的研究 [J], 彭茂公;罗振兴;田卫平
3.弥散强化铜合金中弥散相的观察及析出过程 [J], 陆艳杰;崔舜;康志君;周文洪
4.雾化方法对弥散强化铜材料性能与冷加工性能影响的研究 [J], 彭茂公;罗振兴;田卫平
5.纳米弥散第二相对变形弥散强化铜合金亚结构的影响 [J], 程建奕;余方新;杜大明;马明亮
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高性能弥散强化铜合金制备及应用研究
高性能弥散强化铜合金制备及应用研究摘要：弥散强化铜合金是具有优良物理性能和力学性能的铜合金，主要介绍弥散强化铜的制备方法原位合成的几种方法，同时概述国内外弥散强化铜合金的生产情况和应用领域。
关键词：高性能；弥散强化铜；制备；研究弥散强化铜合金又称氧化铝铜（Cu-Al2O3）合金，该合金是一种优异的高强度、高导电率的新型复合材料。
它是以金属铜为基体，在铜基体中加入颗粒细小而又弥散分布的纳米级氧化物Al2O3质点弥散相。
由于Al2O3颗粒在合金中含量少在其中弥散分布，所以合金仍具有铜基体高强度、高硬度、高导电率及高软化温度等特性。
1 弥散强化铜的制备方法弥散相三氧化二铝（Al2O3）加入到铜基体中的方法主要由原位合成制备法和非原位合成制备法（又称强制外加法）。
所谓原位合成制备法是通过铝与氧发生化学反应在铜基体内合成具有强化作用的弥散相三氧化二铝，用这种方式添加强化相要比直接添加强化相有很多优点，铜和三氧化二铝之间接触面较清晰，加入的弥散相粒子细小，弥散相在合金中均匀分布。
原位合成制备法是目前国内外市场上制备弥散强化铜主要的方法。
原位合成制备方法有一下四种：1.1 内氧化法在氧气不充足的条件下氧化剂氧选择性地与加入的极少量铝发生氧化反应生成三氧化二铝的方法称为内氧化法，此法是目前制备弥散强化铜合金的主要方法，提供氧化剂氧和控制过程是这种制备方法的关键问题。
也就是说我们如何使铜和铝最终转换成Cu-Al2O3合金。
目前内氧化法仍有很多问题，比如Al2O3对基体铜粉的烧结存在较强的阻碍作用，要制备三氧化二铝铜合金生产成本还较高，产品质量较差，这些都是需要克服的问题，这也使得该合金的应用范围还有限。
为克服这些不足，国内外研究这种合金材料的科研机构和高校都做了大量工作，努力改进了制备工艺路线，路线可概括为：铜铝合金熔炼→制粉→制氧源→混料→等静压热处理→冷加工检测→成品。
1.2 反应球磨制备法在球磨的过程中两种或两种以上金属或合金通过发生化学反应制备出所需合金材料的方法称为反应球磨制备法。
弥散强化铜基复合材料的现状与发展[1]
![弥散强化铜基复合材料的现状与发展[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/8951f5c5d5bbfd0a79567398.png)
! 56 ! 综述
# 安塞尔一勒尼尔机理。安塞尔等对弥散强 化合金的屈服提出了另一个位错模型, 把由于位 错塞积引起的弥散第二相粒子断裂作为屈服的判
3 弥散强化铜的性能分析 3. 1 物理、机械性能
弥散强化铜与纯铜相比表现出优良的耐高温
据, 即当粒子上的切应力等于弥散粒子的断裂应 特性, 表 1、2 列出了美国 SCM 公司生产的 Glid
梅山科技
2009 年第 1 期
弥散强化铜基复合材料的现状与发展
宣守蓉 范鲁海 ( 梅山钢铁公司技术中心 南京 210039)
摘 要: 弥散强化铜基复合材料具有高温强度、高导电、导热的特性, 具有不可替代的作 用。以氧化铝弥散强化铜复合材料为例, 综述其制备工艺、性能分析、强化机理及应用领域, 并 预示了其在冶金企业应用的美好前景。
用粉末冶金法制备弥散强化复合材料的基本 原理是利用固态金属粉末和增强材料在一定温度 和压力下, 金属在增强材料周围被迫流动、扩散, 从而粘接在一起。粉末冶金法的主要工艺过程包 括: 制取复合粉末、复合粉末成型、复合粉末烧结。 这种方法用于制备颗粒弥散强化铜基体材料, 工
艺成熟, 材料性能也比较好。与内氧化法繁杂的 工艺、较多的影响因素相比, 该工艺过程简单, 易 于控制。最关键的是用粉末冶金法可以按要求制 备指定粒径和含量的弥散强化复合材料。粉末冶 金法常与精整、浸油、机加工、热处理以及轧制、热 锻等制造工艺紧密结合。 1. 3 内氧化法
弥散铜复合材料的性能分析与动态再结晶研究
弥散铜复合材料的性能分析与动态再结晶研究作者：张晓伟来源：《有色金属材料与工程》2017年第04期摘要：采用真空热压烧结的方法制备了复合材料CuAl2O3，并在GLeeble1500D热模拟机上对其进行高温压缩试验，研究了在变形温度为650～950 ℃，变形速率为0.01～5 s-1，最大真应变为0.7条件下的流变应力行为.结果表明：纳米级的弥散粒子和间距能在变形时作为位错源增加基体的位错密度，对位错和晶界运动起到阻碍作用，从而提高其综合力学性能.在试验变形条件下，复合材料CuAl2O3均表现出典型的动态再结晶特征，即随着峰值应力逐渐减小，在晶界交叉处出现再结晶晶粒，并逐渐增多，复合材料高温变形的主要软化机制为动态再结晶.关键词：真空热压； CuAl2O3复合材料；热压缩变形；动态再结晶中图分类号： TB 333 文献标志码： A弥散强化铜合金因具有良好的高温强度、高导电性和高导热性，已广泛应用于电力、电子、机械等工业领域，并在这些领域有着其它材料不可替代的优势.复合材料CuAl2O3是在铜基体中引入弥散分布的硬质颗粒Al2O3，从而有效地提高合金的强度、硬度和高温稳定性，且具有良好的抗电弧侵蚀和抗磨损性能[1-2].但硬质颗粒Al2O3的加入，会导致塑性下降，变形抗力增大，致使热塑性成型和组织控制困难.材料热变形过程中的高温流变应力是表征材料塑性变形的一个基本量[3]，在塑性变形过程中，流变应力的大小决定了变形的难易程度，对材料的热加工性能有直接影响.本文作者通过真空热压烧结制备了以纳米级γAl2O3弥散强化的铜基复合材料CuAl2O3，并在Gleeble1500D热模拟机上对其进行等温压缩试验.考察了该材料的热变形行为及组织演化规律，为制定和优化该复合材料的热加工工艺及工业生产提供理论参考和试验依据.1 试验1.1 试验材料制备试验材料为CuAl2O3复合材料，采用真空热压烧结方法制得.成分配比（质量分数）为：95%（Cu0.44%Al粉）+5%（Cu2O粉）.真空热压烧结工艺参数为：950 ℃×2 h，压力30 MPa.为了获得综合性能优良的CuAl2O3复合材料，本文设计了真空热压烧结内氧化工艺，流程如图1所示.将称重干燥后的CuAl合金粉末和Cu2O粉末混合均匀后，放入石墨模具中压制成形，然后在真空中按照确定的烧结工艺完成烧结内氧化，制备出所需要的复合材料.该工艺将烧结工艺和内氧化工艺合二为一，经后续加工后能够获得性能较为优良的内氧化法粉末冶金材料制品.在试验过程中，为了消除混合粉末的硬团聚现象，混粉首先采用手工研制，之后在QQM/B型球磨机上进行充分混合5 h.真空热压烧结的具体工艺流程为：混粉→装炉→抽真空→升温→保温（保温20 min）→加压（加压10 min后卸压）→保温→加压（保温的最后50 min开始到保温结束）→降温取样.烧结的主要工艺参数为：真空度为1×10-2，烧结温度为950 ℃，保温时间为2 h，压制压力为30 MPa，保压总时间为60 min.真空热压烧结所用模具为自制模具（60 mm×120 mm），在VDBF250真空热压烧结炉中进行.1.2 热加工变形试验参数与工艺将制得锭坯加工成尺寸为 8 mm×12 mm的试样，在Gleeble1500D热模拟试验机上进行恒温单次压缩变形.压缩变形温度为：650～950 ℃；应变速率为：0.01～5 s-1；压缩真应变量为0.7（最大变形程度50%）.升温速度为10 ℃/s，变形前保温3 min.压缩完成后迅速水冷至室温以保留热变形时的组织.将压缩后的试样沿轴向线切割，制成金相试样.在OLYMPUS PGM3型光学显微镜下观察试样的显微组织.试样经离子减薄在JMS2100型透射电镜观察试样微观结构和析出相.2 结果及分析2.1 显微组织图2为真空热压烧结CuAl2O3复合材料的烧结态SEM组织和TEM微观结构.可以看出复合材料基体为Al2O3弥散强化Cu，纳米级γAl2O3弥散分布在铜基体上.图2（b），2（c）表明，复合材料铜基体中弥散分布的细小颗粒为CuAl合金粉在烧结的同时Al经内氧化而生成的γAl2O3颗粒（质量分数为0.57%），即复合材料基体为γAl2O3弥散强化铜.这些γAl2O3颗粒的粒径为5～20 nm，颗粒间距为20～150 nm.纳米级的弥散粒子和间距能在变形时作为位错源增加基体的位错密度，对位错和晶界运动起到阻碍作用，从而提高其综合力学性能[4-7].2.2 热加工过程中复合材料显微组织的演变在试验条件下复合材料的流变应力由加工硬化、屈服和稳态流变三个阶段组成[8-11].材料的宏观应力变化，必然在微观结构上有所显示，观察材料的微观组织，能够更好地分析材料的应力应变规律.图3是变形速率为0.01 s-1、最大真应变为0.7的条件下，变形温度逐渐升高，复合材料CuAl2O3的显微组织.从图3（a）中可以看出，当应变速率为0.01 s-1、变形温度为650 ℃时，晶粒沿垂直于压缩方向伸长，呈纤维状组织.随着变形温度的升高，变形的晶界边缘出现了亚晶界，原来的变形晶界逐渐显得模糊.由于晶界处能够同时具备大角度界面和高密度缺陷2个再结晶的基本条件，具有较高的变形能，成为再结晶晶粒优先形核和长大的部位[12-15].随着变形温度的继续升高，在原来的晶界处形成了新的晶粒，进而逐渐长大，并出现大晶界被再结晶的晶粒所包围的现象.这一条件下发生的再结晶并不完全，仍保留有部分细长的晶粒如图3（c）.随着再结晶的不断进行及其晶界不断合并原始晶粒而长大成等轴晶，最后将完全替代原有变形组织，形成细小等轴的再结晶组织，如图3（d）所示.通过对显微组织的观察，可以看出复合材料的热压缩过程呈现明显的动态再结晶特征.2.3 热加工图的建立及分析通过热模拟试验中所采集的数据[16]建立复合材料CuAl2O3的热模拟加工图，以此来研究热变形过程中，微观组织的演变规律与应变速率及应变温度之间的关系，为复合材料的热加工提供可靠的理论依据和指导作用.对热变形进行深入的分析，不仅要确定最大功率耗散区，而且还要确定失稳区域.在失稳区域，加工功率消耗虽然很大，但不一定加工性能就好，裂纹等缺陷大都出现在这个区域.图4为复合材料CuAl2O3在应变量为0.7时所建立的热加工图，其中阴影区域为失稳区.由图中可以看出随着应变速率和变形温度的不同，合金的动态消耗行为明显不一样，作为流变失稳区域的阴影部分也在不断变化.复合材料CuAl2O3的变形消耗功率效率值η变化范围很大，大部分在5%～60%.如图4所示，可以看出热加工图的阴影部分，即失稳区域都出现在应变速率（1～5 s-1）较大的时候，表明CuAl2O3复合材料在应变速率较大的时候，容易出现失稳现象.在热加工的过程中，应避开此加工区域.根据功率消耗效率η的分布区域把耗散效率图分为3个部分：2.3.1 耗散效率η>40%的区域在试验条件下，耗散效率η>40%的区域出现在图4的右下角，即应变速率为：0.01～0.1 s-1，变形温度为900～950 ℃的区域.在此部分，存在耗散效率的最大值，且与阴影部分重合，表明有特殊的显微组织机制或流变失稳机制，即为超塑性区或者裂纹区.2.3.2 耗散效率η在20%～40%的区域这部分大都出现在变形速率为0.01～1 s-1和变形温度为750～900 ℃，通常是典型的动态再结晶区域，并且避开了失稳区.这一区域具有良好的塑性，能够进行锻造、热挤压等热变形，为热加工安全区.2.3.3 耗散效率η耗散效率η热加工图中不同区域η值的差别不仅表现在宏观上变形抗力的不同，联系显微组织的变化，可精确分析热变形过程中各个区域的微观组织变形机制.其中材料加工安全区域为：动态回复、动态再结晶和超塑性区域.在再结晶区域具有较高的塑性，通常所消耗的η值也高.CuAl2O3复合材料在变形速率为0.01～1 s-1，变形温度为750～900 ℃时，容易发生动态再结晶.对于本文所讨论的复合材料，动态再结晶主要受晶界的迁移率所控制，则动态再结晶所消耗的能量较高.这一区域内的功率耗散率在40%左右，能够满足动态再结晶所需要的能量，形成新的细小的等轴态组织晶粒，这样的组织具有良好的强度、塑性和疲劳性能，是安全热变形区域，可以进行热锻、热挤压等加工.在高温变形区域，虽然仍保持较高的能量消耗率，但这时材料组织变的粗大起来，将对其力学性能产生影响.并且在复合材料的热加工图中，当应变量较大时，高温区域出现失稳现象，容易出现裂纹等失效情况.所以高温区域很少进行合金的热加工.3 结论（1）微观分析表明真空热压烧结CuAl2O3复合材料的烧结态的为Al2O3弥散强化Cu，纳米级γAl2O3弥散分布在铜基体上.（2）复合材料CuAl2O3在变形温度为650～950 ℃，应变速率为0.01～5 s-1的试验条件下，存在着稳态流变特征.随着变形温度的升高和应变速率的降低，显微组织出现再结晶现象，应力随之逐渐减小.复合材料的高温塑性变形的软化机制主要为动态再结晶.（3） CuAl2O3复合材料在变形速率为0.01～1 s-1，变形温度为750～900 ℃时，是典型的动态再结晶区域.这一区域具有良好的塑性，能够进行锻造、热挤压等热变形，为热加工安全区.参考文献：[1] 刘平，田保红，赵冬梅.铜合金功能材料[M].北京：科学出版社，2004.[2] 程建奕，汪明朴.高强高导高耐热弥散强化铜合金的研究现[J].材料导报，2004，18（2）：38-41.[3] POIRlER J P.晶体的高温塑性变形[M].关德林，译.大连：大连理工大学出版社，1989.[4] 张晓伟，田保红，张毅，等.真空热压烧结W（50）/CuAl2O3的热压缩变形行为[J].材料热处理学报，2011，32（8）：41-46.[5] 汪凌云，范永革，黄光杰，等.镁合金AZ31B高温塑性变形及加工图[J].中国有色金属学报，2004，14（7）：1068-1072.[6] 张晓伟，田保红，赵瑞龙，等.真空热压烧结W（50）/CuAl2O3复合材料的性能研究[J].热加工工艺，2010，39（20）：63-65.[7] JONAS J J，SELLARS C M，TEGART M W J.Strength and structure under hotworking conditions[J].Int Metall Reviews，1969，14：l-24.[8] GRONOSTAJSKI Z J.Model describing the characteristic values of flow stress and strain of brass M63 and aluminium bronze BA93[J].Journal of Materials Processing Technology，1998，78（1/2/3）：84-89.[9] IMBERT C A C，MCQUEEN H J.Peak strength，strain hardening and dynamic restoration of A2 and M2 tool steels in hot deformation[J].Materials Science and Engineering A，2001，313（1/2）：88-103.[10] 张晓伟，田保红，赵瑞龙，等.真空热压烧结W（50）/CuAl2O3复合材料的性能研究[J].热加工工艺，2010，39（20）：63-65.[11] 毛卫民，赵新兵.金属的再结晶与晶粒长大[M].北京：冶金工业出社，1994.[12] 张晓伟.真空热压烧结W/CuAl2O3复合材料的制备及热变形行为研究[D].洛阳：河南科技大学，2011.[13] 李信，彭军，龙剑平，等.真空热压烧结法制备金刚石/Al-Cu基复合材料[J].特种铸造及有色合金，2015，35（12）：1295-1298.[14] 李新，田保红，任凤章，等.内氧化法制备CuAl2O3薄板复合材料及其重熔后的组织性能[J].材料热处理学报，2016，37（5）：22-27.[15] 赵瑞龙，刘勇，田保红，等.真空热压制备W50%/Cu复合材料[J].粉末冶金技术，2011，29（1）：27-29.[16] 张晓伟，孙静静.真空热压烧结CuAl2O3热变形行为研究[J].有色金属材料与工程，2017，38（3）：139-143.。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
烧结
• 压坯
• 烧结体
后续加工加Ar为ຫໍສະໝຸດ 护气体弥散强化铜的界面掺杂
掺杂的原因 增强体与基体的界面结构是影响复合材 料行为的关键因素； 界面的三种类型：
平整界面、交错界面、反应层界面。
界面结合形式：
机械结合、溶解和浸润结合、反应结合、氧化结 合、混合结合。
弥散强化铜的界面掺杂
掺杂的原因
金属与氧化物界面有着较多的缺陷，对于氧化物弥散 金属基复合材料而言，这种缺陷最容易导致裂纹的出现。 课题组肖勇师兄与美国加州圣芭芭拉分校材料科学系 江勇博士合作，通过第一性原理密度泛函理论方法，对 实际的Al2O3/Cu界面的结合强度进行了计算，结果如下：
弥散强化铜的界面掺杂
掺杂元素对弥散强化铜电学性能的影响
通过磁控溅射的方法研究建立CuAl2O3-Cu和Cu-Al2O3-Ag-Cu模型，分 析在该模型中不同成分、不同表面积 以及银在铜和氧化铝的接触面富集对 该模型电学性能的影响
图 4-12
掩模板示意图
图 4-15 Ag 在铜和氧化铝接触面处得掺杂
弥散强化机理
1、屈服强度问题 Orowan机制
在障碍处位错弯过角度 θ ，障碍对具有柏氏矢量b 的位错的作用力F将与位错的线张力T保持平衡 F=2Tsin θ 当θ=π/2时，作用于位错的力F最大
弥散强化机理
1、屈服强度问题 Orowan机制
用线张力的近似值 2 Gb（G是切变模量），临界切应 Fmax 力 c （ 是位错线上粒子间的距离）代入上式， b 则可得 b c Gb 2
Cu/ Al2O3界面脱粘功及与其它计算结果的比较 (J/m2)
Cu(111)/-Al2O3(1×1) I型 界面脱粘功 0.7 II 型 0.8
其他计算值
实验值
0.5[39], 0.9[40], 1.02[41]
0.82[42]
弥散强化铜的界面掺杂
掺杂的原因
计算表明，相比于Cu基体或Al2O3基体内部的强度 (Cu(111)层间的脱粘功为2.4~2.5, Al2O3(0001) 层间的脱粘 功为3.6~4.6 J/m2)，Cu/ Al2O3界面的结合强度很低，有可 能成为弥散铜合金的主要裂纹来源。
弥散强化铜的界面掺杂
界面掺杂的实验方法
• Cu粉 • Al2O3粉末 • 掺杂元素粉
高能球磨 氢气还原
升降温通Ar，保温通氢气
• 混合粉 末
• 还原粉 末
压制
烧结
• 压坯
• 烧结体
后续加工
加Ar为保护气体
弥散强化铜的界面掺杂
掺杂的元素和工艺参数确定
肖鹏师兄经实验确定的最佳球磨参数：球磨气氛为Ar， 球磨介质为ZrO2球（平均粒径11mm），球料比为10:1， 转速为450rmp，球磨时间为24小时，每连续球磨2小时停 机冷却30min
弥散强化铜的界面掺杂
掺杂元素对弥散强化铜电学性能的影响 在没有掺杂银的Cu-Al2O3-Cu模型中，薄膜的电导率随氧 化铝掺杂量的减少而增加，但是增加到一定的程度后，不 再随着氧化铝的减少而增加； 在掩模板的作用下，当通孔表面积一样，溅射时间一样 时，即掺杂量一样时，分散性越好的其电学性能越好； 在Cu-Al2O3-Ag-Cu模型中，分析得出其电导率与银和氧 化铝薄膜的厚度、面积以及银在铜和氧化铝接触面富集的关 系为：当厚度、面积以及银富集的增加都将降低该三明治模 型电学性能。
2
1
屈服应力与粒子间距成反比，粒子间距越小，材料 的屈服强度越大
所以
c
Gb
弥散强化机理
2．蠕变问题（第二相粒子沉淀在位错上阻碍位错的滑移和攀移）
弥散强化铜的抗蠕受能力与抗回复能力有对应关系 弥散粒子被这些位错乱网所联结。由于乱网中位错密度 很高，造成强烈的应变硬化；同时，粒子又阻碍这些位 错的滑移与攀移，因而得以保持这种硬化状态而不产生 回复。这一过程是提高耐热强度的关键。
铜及弥散强化铜简介
弥散强化铜
弥散强化铜基复合材料，是指在铜基体中直接 加入或通过一定的工艺原位生成弥散分布的第二 相颗粒。 综合利用形变强化和弥散强化获得高强度，同 时尽量降低固溶态的溶质原子和杂质含量以获得 高导电性和高导热性。
铜及弥散强化铜简介
弥散强化铜种类（按增强体分类）
•
•
•
氧化物弥散强化铜，如A12O3、SiO2、TiO2、 MgO、ZrO2等； 碳化物、氮化物等弥散强化铜，如WC/Cu、 BN/Cu等； 金属间化合物弥散强化铜，如Ni3Al等；
目前以A12O3p/Cu基复合材料性能最优 （以下内容将以A12O3p/Cu 为例进行说明）
铜及弥散强化铜简介
弥散相粒子的选择
（1）具有高度化学稳定性和结构稳定性； （2）不溶于基体，不与基体发生反应 （3）基体与弥散相之间的界面能要低
铜及弥散强化铜简介
弥散强化铜具有良好的物理性能
IACS: International Annealed Copper Standard。用来表 征金属或合金的导 电率（参比于标准 退火纯铜）。一般 定义标准退火纯铜 的导电率为 100%IACS，既是 5.80E+7(1/Ω·m） 或58(m/Ω·mm2 )
弥散强化铜的主要制备方法
制备工艺 常用的为内氧化法和机械合金化法
粉末制备 压制成型 烧结 加工成型
• 内氧化法 • 机械合金化法
弥散强化铜的主要制备方法
内氧化法工艺流程
弥散强化铜的主要制备方法
机械合金化法
• Cu粉 • Al2O3粉 末
氢气还原
升降温通Ar，保温通氢气
高能球磨
• 混合粉 末
• 还原粉 末
弥散强化铜材料简介及界面掺 杂对其性能影响
主要内容
铜及弥散强化铜简介 弥散强化的机理 弥散强化铜主要制备方法 弥散强化铜的界面掺杂 待解决的问题
铜及弥散强化铜简介
铜
铜及弥散强化铜简介
铜 元素符号Cu ，原子序数29，原子量 63.546，密度为8.89g/cm3 熔点1083℃ 电阻率1.724×10-2 µ Ω·m 导热率400W/m· K
掺杂元素：Ag、Zr、Ti、Hf、Ni； 为什么掺杂这些元素？
弥散强化铜的界面掺杂
掺杂元素对弥散强化铜力学性能的影响
不同元素掺杂样品于不同温度烧结， 随后又经1200MPa冷复压后的密 度分布图
在940oC烧结成型，再通过1200MPa冷 复压制得的样品在500oC退火不同时间后 的硬度曲线图
弥散强化铜的界面掺杂
掺杂元素对弥散强化铜力学性能的影响 Ag掺杂能显著提高氧化铝弥散强化铜的硬度，Ni掺 杂和Hf掺杂对提高样品硬度也有一定的影响。相比较， Zr掺杂和Ti掺杂反而降低了弥散强化铜的硬度； 在弥散强化铜中进行一定量的银掺杂，银将在铜 与氧化铝界面进行偏聚；银在铜与氧化铝界面的偏聚 有效地抑制了氧化铝晶粒的长大，从而提高弥散强化 铜的力学性能； 为后续研究掺杂元素对弥散强化铜电学性能的影 响确定了掺杂元素——Ag
Cu/ Al2O3界面脱粘功及与其它计算结果的比较 (J/m2)
Cu(111)/-Al2O3(1×1) I型 界面脱粘功 0.7 II 型 0.8
其他计算值
实验值
0.5[39], 0.9[40], 1.02[41]
0.82[42]
弥散强化铜的界面掺杂
增强体粒子与铜基体界面优化设计
改善金属基体与增强体之间的润湿性，控制界面反应， 形成最佳的界面结构。 实现的途径： ①增强体的表面涂层处理（改善润湿性和阻止严重的界 面反应） ②金属基体合金化（金属中添加合金元素降低表面张力、 改善金属液体与增强体润湿性、阻止有害界面反应） ③优化制备工艺参数 ④开发新的制备方法
铜及弥散强化铜简介
弥散强化铜良好的抗软化性能
弥散强化机理
1、屈服强度问题 Orowan机制（位错绕过机 制） 适用于第二相粒子较硬并 与基体界面为非共格的情形 切割机制 适用于第二相例子较软并 与基体共格的情形 2、蠕变问题 金属在恒定应力下，除瞬 时形变外还要发生缓慢而 持续的形变，称为蠕变 （1）弥散相是位错的障碍， 位错必须通过攀移始能越 过障碍 （2）第二相粒子沉淀在位 错上阻碍佐错的滑移和攀移
铜及弥散强化铜简介
铜的力学性能 室温下延展性：30%~45%（软态）、 4%~6%（硬态）； 抗拉强度：216~235MPa（软态）、 363~412MPa（硬态） 中碳钢的σb为600～1100MPa 纯铜冷轧后在82℃长时间停留，强度即 回复到冷轧前的状态
铜及弥散强化铜简介
铜 提高强度：应变强化、固溶强化等 固溶强化：易发生再结晶、固溶强化大 大降低材料导电率，适于室温用铜材料 用第二相强化来提高性能：弥散强化 对运动电子的散射作用：溶质原子引起的 点阵畸变＞第二相界面