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比氧化鋁更強(qiáng)?提高銅合金性能的好幫手--氧化釔

發(fā)布時(shí)間:2022-02-24點(diǎn)擊:2585

是與人類關(guān)系非常密切的有色金屬,它的導(dǎo)電能力僅次于貴金屬銀,作為電和熱的良導(dǎo)體而被應(yīng)用于大多數(shù)導(dǎo)電領(lǐng)域。但純銅的質(zhì)地較軟,強(qiáng)度較低,不適合用于電氣電子工業(yè)某些工況條件下,因此應(yīng)用上常被制備成高性能銅合金,以提高強(qiáng)度和耐蝕性。

不過隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,現(xiàn)代工業(yè)對銅合金的綜合性能提出了更高的要求,因此開發(fā)出更高強(qiáng)度、更高傳導(dǎo)性能的銅合金成為了研究重點(diǎn)。但通常來講,銅合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電性是不能兼顧的,要提高導(dǎo)電性就必然要犧牲強(qiáng)度。要想同時(shí)滿足這兩點(diǎn),目前商業(yè)應(yīng)用上可采用復(fù)合材料法來實(shí)現(xiàn)。

01復(fù)合材料法

在眾多強(qiáng)化銅合金的優(yōu)化方法中,復(fù)合材料法是重點(diǎn)發(fā)展方法。具體是將復(fù)合顆粒、各種纖維或晶須等第二相作為增強(qiáng)相,加入到銅基體中,并使其均勻分布,憑借加強(qiáng)強(qiáng)化相自身強(qiáng)度來提高材料整體強(qiáng)度。

雖然彌散分布的強(qiáng)化相粒子會對電子的散射產(chǎn)生一定的影響,從而影響材料的導(dǎo)電性,但是相比較于固溶原子對導(dǎo)電性的影響要小得多。因此復(fù)合材料法制備的銅基復(fù)合材料可以同時(shí)具備高的導(dǎo)電性和高強(qiáng)度。另外,復(fù)合材料法還可以根據(jù)實(shí)際工況需求,選用適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)相來提高材料的性能,同時(shí)兼顧材料的導(dǎo)電性和強(qiáng)度,獲得***優(yōu)配合效果,可分為彌散強(qiáng)化及纖維強(qiáng)化兩種方式。

其中,彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料其實(shí)就是通過原位復(fù)合或非原位復(fù)合的方法,向基體中引入高硬度、高熔點(diǎn)、熱穩(wěn)定性好的氧化物、硼化物、碳化物等陶瓷顆粒來強(qiáng)化銅基體。通過特定的制備工藝,可獲得彌散分布的納米級增強(qiáng)相顆粒,它們熱穩(wěn)定性良好,在接近銅的熔點(diǎn)時(shí)也不會溶解或粗化,因此能有效地提高銅合金的室溫強(qiáng)度,耐磨性和耐腐蝕性。

正因?yàn)檫@一系列***的性能,使得彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料在計(jì)算機(jī)引線框架,連鑄機(jī)結(jié)晶器,電陽阻焊電極,高速電車的架空導(dǎo)線,大推力航天發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)襯等高端技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用,成為高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金(或銅基復(fù)合材料)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

02選用氧化釔的理由

稀土元素對銅基材料的強(qiáng)化其實(shí)有著很重要的意義。它們的化學(xué)性質(zhì)都較為活潑,金屬性極強(qiáng),可以同一切元素發(fā)生反應(yīng)、相互作用(惰性氣體除外),極易與氧、氮、硫化合生成化合物,作為添加劑已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

但是稀土元素是無法和Cu形成間隙或置換固溶體的,如此說來稀土元素很難溶于銅,固溶度小,為其他元素首先與稀土元素發(fā)生反應(yīng)提供了條件,生成稀土化合物。因此,稀土元素在銅及其合金中可以起到兩方面的作用:①凈化作用,可以用于脫氧、脫硫,去除鉛、秘等雜質(zhì);②微合金化及變質(zhì)作用,稀土微溶于銅中,并與其它元素反應(yīng)生成高熔點(diǎn)化合物。

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目前,彌散強(qiáng)化的典型材料是Cu-Al2O3復(fù)合材料,Al2O3陶瓷顆粒的熱穩(wěn)定性好,因此高溫下顆粒的強(qiáng)化效果不會完全消失。但這類材料的彌散相含量有限,因此其強(qiáng)化效果不如沉淀強(qiáng)化銅合金。而氧化釔(Y2O3與其它陶瓷顆粒一樣在高溫下穩(wěn)定,不會溶解或分解;Y2O3的晶體結(jié)構(gòu)與Al2O3不同,為類螢石結(jié)構(gòu),在合適的制備條件下能與基體形成共格界面,這為切割強(qiáng)化機(jī)制提供可能;Y元素在Cu中固溶度和擴(kuò)散速率非常低,這阻礙了原位生成氧化物顆粒時(shí)的團(tuán)聚和粗化,有利于形成納米級Y2O3顆粒,因此Y2O3有可能成為彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料***合適的強(qiáng)化相。

不過,也正是因?yàn)?/span>Y在Cu中的固溶度小,Y2O3彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的成分設(shè)計(jì)變得困難,對此科學(xué)家也做了很多研究。如雷源源等采取熱壓工藝,添加體積分?jǐn)?shù)分別是5%、10%、15%、20%的Y2O3制備Y2O3顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。觀察其微觀組織發(fā)現(xiàn),Y2O3顆粒與基體結(jié)合得很致密,由于Y2O3顆粒很小,呈類圓形狀,它們之間基本上無裂隙存在。隨著Y2O3含量的增加,該系列銅基復(fù)合材料的多孔率下降,顯微硬度值上升幅度較大,強(qiáng)化效果較好,耐腐蝕性也得到提高。

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03進(jìn)階玩法

如果Y2O3銅合金性能的增強(qiáng)還不能讓你滿意,其實(shí)它還有進(jìn)階玩法。去年年底,日本東北大學(xué)針對核融合爐的散熱裝置用途,在既有氧化釔分散強(qiáng)化銅合金的基礎(chǔ)上開發(fā)了一項(xiàng)高強(qiáng)度且具有高傳導(dǎo)性的銅合金。

通過在氧化釔彌散強(qiáng)化銅合金(Cu-1Y2O3)中添加0.81%的鋯粉,以及利用高能水冷球磨與放電等離子體燒結(jié)技術(shù),研究團(tuán)隊(duì)成功制備出鋯釔復(fù)合氧化物顆粒彌散強(qiáng)化銅合金(Cu-1Y2O3-0.81Zr)。晶粒內(nèi)部與晶界處形成高密度的fcc結(jié)構(gòu)Y2Zr2O7復(fù)合氧化物,并且均勻分散在銅基體中,可使Cu-1Y2O3-0.81Zr合金維氏硬度較Cu-1Y2O3提高1.5倍,達(dá)到243HV;室溫屈服應(yīng)力約為700MPa。

來源:粉體圈


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