弥散强化铜合金的研究与应用现状(1)

弥散强化铜合金的研究与应用现状／燕鹏等　·　１Ｏ１　·　弥散强化铜合金的研究与应用现状　燕　鹏，林晨光，崔　舜，周增林，李　明，陆艳杰，李增德，雷　虎　（北京有色金属研究总院，北京１０００８８）　摘要　弥散强化铜具有高强、高导、耐热的特性，是综合性能最好的一类铜合金。比较了原位与非原位制备弥　散铜的性能，总结了影响弥散强化铜性能的因素，综述了目前具有产业化前景的原位方法制备弥散铜，最后介绍了弥　散强化铜的应用领域。　关键词　弥散强化铜原位制备应用领域　

Ｐｒｅｓｅｎｔ　Ｓｔａｔｕｓ　ｉｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　Ｃｏｐｐｅｒ　ｂｙ　ｉｎ—ｓｉｔｕ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　

ＹＡＮ　Ｐｅｎｇ，ＬＩＮ　Ｃｈｅｎｇｕａｎｇ，ＣＵＩ　Ｓｈｕｎ，ＺＨＯＵ　Ｚｅｎｇｌｉｎ，ＬＩ　Ｍｉｎｇ，　ＬＵ　Ｙａｎｊｉｅ，ＬＩ　Ｚｅｎｇｄｅ，ＬＥＩ　Ｈｕ　

（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ｍｅｔａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８８）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｃｏｐｐｅｒｓ（ＤＳＣ）ａｒｅ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｃｏｐｐｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｈｉｇｈ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｈｅａｔ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｏｐｐｅｒｓ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　ｉｎ－ｓｉｔｕ　ａｎｄ　ｅｘ－ｓｉｔｕ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎ－ｓｉｔｕ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｆ　ＤＳＣ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｃｏｐｐｅｒ，ｉｎ－ｓｉｔｕ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄｓ　

０　引言　目前，弥散强化的铜合金是综合性能最好的一类铜合　金。它是将具有高熔点、高硬度以及良好热稳定性能和化学　惰性的陶瓷颗粒（如氧化物、碳化物等）通过原位或非原位的　方法加入到铜基合金中形成的一类铜合金材料。与其他强　化方式相比，弥散强化的强化粒子在接近铜的熔点的高温下　也不发生溶解与粗化，有效地阻碍位错运动与晶界滑移，同　时不会明显降低电导率，具有高强高导耐热的特性，扩大了　使用铜合金的温度范围＿１］。　弥散强化铜的质量与弥散相的本征特性有关，特别是弥　散相的尺寸、粒子间距和界面结合情况。而后者与制备方法　息息相关＿＿２］。制备方法包括非原位方法（强制外加法）和原　位合成方法。其中原位复合法是在金属基体内部发生化学　反应原位合成强化相，与直接添加强化相粒子制取金属基复　合材料相比具有如下优点：①强化相与基体间界面清洁；②　强化相粒子更加细小且分布更加均匀ｌ＿３］。因此，原位合成比　非原位合成的弥散铜有着不可比拟的优势，制备的性能更　高。原位制备的弥散强化铜合金与非原位制备的弥散强化　铜合金的性能比较如图１所示［４］。由图１可以看出，无论硬　度随退火温度的变化曲线还是抗拉强度随变形量的变化曲　线，原位制备方法制备的材料性能优于非原位方法。　目前，产业化制备的弥散强化铜材料均使用原位制备方　

燕鹏：博士研究生Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｐｅｎｇ１９８５ｃｎ＠ｙａｈｏｏ．ＣＯＩＴＩ．ｃｎ　

法生产。本文对原位制备弥散强化铜材料的制备工艺和产　品性能做一简要概述。　

岂　鳗　

图１原位（（ａ）、（ｂ））与非原位（（Ｃ）、【ｄ））　制备铜合金的性能比较　］　Ｆｉｇ．１　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｐｐｅｒ　ａｌｌｏｙ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　ｉｎ－ｓｉｔｕ　ｍｅ－－　ｔｈｏｄｓ（（ａ），（ｂ））ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘ－ｓｉｔｕ　ｍｅｔｈｏｄｓ（（Ｃ），（ｄ））　

１　影响弥散铜性能的因素　１．１弥散相的本征特性　可用于强化铜基体的弥散相种类很多，包括各种氧化　物、氮化物、碳化物、硼化物及难熔金属。部分弥散相的本征　性能如表１所示　，它们具有的共性是高的熔点、热稳定性、　弹性模量等，保证了弥散铜的高温性能。相比之下，电导率　１Ｏ２　·　材料导报Ａ：综述篇　２０１１年６月（上）第２５卷第６期　的差别很大，从绝缘体、半导体到导体。由于弥散强化铜材　料仅包含基体铜相和弥散质点相，在保证铜基体纯度的前提　下，许多研究者很自然地想到利用弥散相的本征导电特性来　设计最终的导电性能。但是统计表明，弥散相和最终产品导　电性能之间并没有强相关性。例如Ａｌ：Ｏ。与ＷＣ、Ｔｉ。ＳｉＣ。之　间导电率相差悬殊，但制备的材料的电导率性能相差不大，　反而Ａｌ　Ｏ。的更高一些＿６］。这可以用复相结构的单元立方　体有限元模型加以说明，该模型认为含量较少的细小粒子并　联于高导电基体，使得对其整体电导率的影响较小［７３。　

除本征性能以外，影响弥散强化铜性能更重要的是弥散　相在铜基体中的分布、粒子间距、界面结构等。获得这些特　性原位生成方法具有明显优势。由于基体导电为主体，那些　虽然采用导电率低的氧化物弥散相，但制备方法采用原位生　成方法的材料同样获得了很大的成功。　１．２粒子大小、间距、界面结构　弥散强化铜强化机制的研究集中在Ｏｒａｗａｎ强化机制、　加工硬化、细晶强化上，这些强化方式的实质是弥散质点钉　扎位错，阻碍位错、晶界的运动，从而阻碍再结晶形核与长　大，都属于位错强化机制。　研究表明，弥散强化材料的屈服强度与析出粒子的尺　寸、间距、数量、粒子与基体的界面结构有关。小的弥散粒子　和粒子间距可使变形时产生的位错均匀分布，再结晶形核率　降低；小的粒子间距阻碍局部形成的再结晶颗粒长大成稳定　的晶核；而大的粒子尺寸和粒子间距将不能起到抑制再结晶　的作用。　吴树森等通过对（）ｒａｗａｎ模型的推导得出Ｏｒａｗａｎ机制　引起的临界切应力为ｌｌ８ｊ：　

式中：ｒ。为临界切应力，　为切变模量，ｂ为柏氏矢量，　为粒　子间距。　Ｗ．Ｓ．Ｃｒｅｍｅｎｓ州研究了粒子间距、体积分数和粒子尺寸　的关系，得出：　

２　了１—１）　（２）　

式中：　为粒子间距，ｄ为粒子直径，．，为弥散相的体积分数。　综合可以看出：屈服应力与粒子间距成反比，粒子间距　越小，复合材料的屈服强度越大。　界面结构也影响弥散质点的强化效果。原位生成初期，　生成粒子比较小，粒子与基体共格，按照Ｇ．Ｓ．Ａｎｓｅｌｌ模式，　位错与粒子的作用方式为切割方式。弥散粒子粗化，粒子与　基体由共格转变为半共格或非共格，按照（）ｒｏｗａｎ模式，位错　与粒子的作用方式为绕过方式。原位生成法制备的界面清　洁，且基体与增强相之间存在优先晶体学位向关系时，生成　共格、半共格匹配的原子结合界面，界面应变能和结合能降　低，导致高界面结合强度Ｅｌｏ３。　晶体类型也能通过界面结构的方式影响到材料性能。　如旷Ａｌ　Ｏ。和７一Ａｌ　Ｏ。弥散强化铜，ａ—Ａ１　Ｏ。为三方结构，　Ａ１　０。为面心立方结构，与Ｃｕ晶体结构相似，满足形成共　格、半共格界面的必要条件，研究表明，在晶内原位生成的　Ａ１　Ｏ。相为　Ａ１　（）。，而晶内质点对抑制再结晶的贡献要大　于晶界处的质点，从而影响材料性能。研究表明，在较高热　处理温度时，７一Ａｌ　（）。可以发生晶型转变，成为　—Ａｌ　（）。”】。　总之，弥散强化铜的性能不仅与弥散相的本征特性有关，　更重要的是还受弥散质点的尺寸、间距和界面情况的影响，而　界面结合的质量在很大程度上取决于制备方法和工艺条件。　

２原位制备方法及存在的问题　２．１　内氧化法　内氧化是利用低氧条件下Ｃｕ＿Ａ１合金中（）会选择性氧　化Ａｌ而原位生成Ａｌ　Ｏ。的方法。Ｓｍｉｔｈ第一个提出用该方　法制备弥散强化铜材料，后来Ｒｈｉｎｅ和Ｍｅｉｊｅｒｉｎｇ相继改进。　１９７３年美国ＳＣＭ公司用该法进行工业化生产，推出了　Ｃ１５７１５、Ｃ１５７６０牌号的产品。随后，这类材料在美、日、俄等　发达国家开发异常活跃。中国、印度、埃及、智利等发展中国　家起步相对较晚，但近些年来差距在逐渐缩小，产品性能、工　业化水平不断提高　。　内氧化法是目前工业制备氧化物弥散强化铜合金的方　法。内氧化法的关键工艺是供氧的方法和过程控制，即如何　使Ｃｕ—Ａｌ转化为Ｃｕ—Ａ１。Ｏ。。内氧化法目前主要有压埋法（也　称包埋法）、雾化法、流动气氛氧化法以及真空内氧化法等。　美国的工艺过程包括Ｃｕ－Ａｌ合金熔炼、雾化制粉、氧源制备、　混粉、内氧化、破碎筛分、包套封装、热挤压成型、冷变形加　工，其工艺流程示意图如图２所示。　目前，内氧化法仍然存在诸多问题：氧化铝对铜粉的烧　结有很强的阻碍作用，因此采用简单的烧结工艺不能真正达　到全致密化冶金结合；可发生内氧化的元素有限；采用传统　制备技术，工艺复杂，周期长，生产成本较高，产品质量不稳　定，这些问题阻碍了弥散强化铜这一优异材料的推广应用。　为降低生产成本，简化工艺，提高性能，国内相关高校和科研　机构对传统的弥散强化铜工艺进行了改进，改进后的工艺路　线为：Ｃｕ—Ａ１合金熔炼一雾化制粉一氧源（Ｃｕ：（））制备一混料　

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