一种超极限铜合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于铜合金材料制备技术领域，公开了一种超极限铜合金及其制备方法，包括铜合金基体，铜合金基体表面依次沉积有复合粘结层、复合陶瓷层、反射层、反折射层、绝缘层和泡沫碳层；复合粘结层包括沉积在铜合金基体表面的粘结层和沉积在粘结层表面的贵金属层；复合陶瓷层包括陶瓷A层和陶瓷B层。本发明专利技术通过在铜合金基体表面沉积多层涂层，能够将其使用温度提升至高于原铜合金基体熔点100‑500℃，以实现铜合金在超极限环境下的使用。本发明专利技术提供的超极限铜合金具有极佳的高温力学和化学稳定性，能够在超过其铜合金基体熔点的条件下使用，增大了使用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种超极限铜合金及其制备方法
本专利技术属于对铜合金材料制备
，具体涉及一种超极限铜合金及其制备方法。
技术介绍
铜合金作为当今一种重要的金属材料，指以铜为基体，加入其他元素组成的合金。铜具有良好的力学、物理和化学性能，而在铜内添加适宜元素形成的铜合金的抗氧化性、耐蚀性、高温强度强，并且能够改善某些物理性能，因此铜合金广泛使用在能源开发、化工、电子、航海、航空和航天领域。铜合金由于其强度、硬度、抗震性、耐蚀性、抗氧化性、高温强度和某些物理性能等综合性能较强，在航空航天领域发挥了不可替代的作用。例如：火箭发动机的燃烧室和推力室的内衬，可以利用铜的优良导热性来进行冷却，以保证发动机的温度在允许的范围内。亚里安那5号火箭的燃烧室内衬，采用铜银合金，在这个内衬内加工出360个冷却通道，火箭发射时通入液态氢进行冷却。随着技术的发展与社会的实际需求，对航空器的速度要求也越来越高，航空器的提速就意味着发动机的运转速度逐渐提高，便导致发动机叶片的表面温度逐渐提高，尽管铜合金拥有众多优异的性能，但是由于其熔点在1080℃左右，且在高温下极易氧化的特性大大限制了铜合金在高温条件下的使用。另外金属在超过其熔点一半的温度下工作，就会发生软化的现象，即铜合金在540℃的环境下工作时，就会发生软化，性能降低的现象。而现目前的铜合金不能满足航空器提速后的使用要求(即铜合金不能在超极限温度(超过铜合金的熔点温度)下使用)，或者说为了实现航空器提速的要求，就必须牺牲飞机的使用寿命。因此在航空器发展，甚至是整个铜合金的发展都受到了限制，铜合金的使用受到了限制，达到了一个瓶颈。专利技术内容本专利技术意在提供一种超极限铜合金及其制备方法，以解决现有的铜合金无法满足在超极限温度下使用的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下基础方案：一种超极限铜合金，包括铜合金基体，所述铜合金基体表面依次沉积有复合粘结层和复合陶瓷层；复合粘结层包括沉积在铜合金基体表面的粘结层和沉积在粘结层表面的贵金属层；复合陶瓷层包括陶瓷A层和陶瓷B层。本技术方案的有益效果：专利技术人通过大量的研究，研发了一种超极限铜合金，满足铜合金在超极限温度(超过其熔点温度)下使用。在研发过程中，通常人们会认为当环境温度高于合金的使用温度之后，便会认为该合金不能在该温度下进行使用，进而需要其他高熔点的合金进行使用，而专利技术人反其道而行，尝试对铜合金进行改进，以满足航空器制造的需求。在专利技术人不断尝试的过程中非常惊喜的发现，通过在铜合金表面沉积一定配比的涂层，能够将铜合金使用温度提高至高于原熔点100-500℃，将大大的提高铜合金的使用温度，从而满足制造航空器的需求；而在高温环境下，将铜合金的使用温度提升2-3℃都是非常困难的，因此申请人的这一研究是在铜合金的使用上非常大的进步。本技术方案通过在铜合金基体上沉积复合粘结层和复合陶瓷层，能够大大的提高铜合金的使用温度，以适应铜合金在超极限温度条件下的使用。沉积复合粘结层，能够提高各涂层与铜合金基体之间的粘结效果，避免涂层在使用过程中脱落。沉积复合陶瓷层，能够降低热量的传导，从而提高铜合金基体的使用温度。本技术方案通过各涂层的配合，使得铜合金的使用温度得到了大大的提升。综上所述，本专利技术具有以下技术效果：1、本专利技术提供的超极限铜合金具有极佳的高温力学和化学稳定性，能够在超过其铜合金基体熔点的条件下使用，增大了使用范围。2、本专利技术通过在铜合金基体表面沉积多层涂层，能够将其使用温度提升至高于原铜合金基体熔点100-500℃，以实现铜合金在超极限环境下的使用。3、本专利技术提供的超极限铜合金具有极佳的耐腐蚀性，因而在酸性或碱性条件下的使用时间大大增加，因此能减少材料腐蚀而造成的浪费，节约成本。4、本专利技术提供的超极限铜合金突破了传统铜合金的发展瓶颈，能够在其具有较高熔点的基础上，将其使用温度进一步提升，且提升的温度是一个飞跃性的进步。将本专利技术提供的超极限铜合金能够应用在航空器的发动机叶片的制备上，并且能满足航空器提速时发动机温度升高的使用需求，实现航空器的提速。进一步，所述复合粘结层的厚度为100-200μm，复合陶瓷层的厚度为150-500μm，复合陶瓷层外还依次沉积有10-30μm厚的反射层、10-30μm厚的反折射层、10-200μm厚的绝缘层和20-200μm厚的泡沫碳层。有益效果：反射层具有反射热源的效果，从而降低铜合金表面的热源，从而提高使用温度。沉积反折射层，能阻挡红外线在涂层内的折射，从而降低铜合金基体的温度，因此使得制备的铜合金的使用温度提高。沉积绝缘层的效果在于，由于在超高速的环境中，材料的表面容易发生电离，而绝缘层能够隔绝电离产生的导电离子或电子进入到铜合金基体中，从而抵抗电荷对铜合金基体的侵蚀。在使用时泡沫碳层的碳汽化降温，并在铜合金基体表面形成汽化膜，进一步阻止热传输，从而提高铜合金的使用温度。并且通过对各涂层的厚度的设置，能够使得制备的超极限铜合金的使用温度提高，在保证涂层的隔热效果同时还控制其重量，便于航空器的使用。进一步，所述粘结层成分为MCrAlY、NiAl、NiCr-Al、Mo合金中的一种或几种的混合物，MCrAlY为NiCrCoAlY、NiCoCrAlY、CoNiCrAlY或CoCrAlY；贵金属层的成分为Au、Pt、Ru、Rh、Pd、Ir中的一种或多种的合金。有益效果：NiCrCoAlY、NiCoCrAlY、CoNiCrAlY三种材料中，根据化学式各元素含量依次减少，且三种材料中各元素之间的配比不同，因此制得的材料不同。粘结层具有良好的粘结效果，使得后续的涂层与铜合金基体的粘结效果佳，降低涂层的脱落概率；而贵金属本身具有抗氧化的特性，能有效的阻止，高温下，氧向粘结层和铜合金基体内扩散，从而提高涂层的抗氧化性能，提高涂层的寿命。进一步，所述陶瓷A层的成分为YSZ或稀土锆酸盐(RE2Zr2O7)，陶瓷B层的成分为ZrO2-RETaO4。有益效果：YSZ或稀土锆酸盐是目前热障涂层中陶瓷层最常使用的成分，制备工艺成熟方便购得；而ZrO2-RETaO4具有高膨胀系数和低热导率的效果，其中低热导率能够减少外界热量传导到铜合金基体内，从而使得高温环境下，铜合金基体能够保持较低的温度；而对于高膨胀系数，由于涂层之间是作为一个整体使用的，并不是单一的在起作用，而高膨胀系数是为了与粘结层的热膨胀系数相匹配，由于贵金属粘结层的热膨胀系数也较大，这样在热循环过程中(即不断加热冷却的过程中)，陶瓷层与粘结层的热失配应力(热膨胀系数不同产生的应力)较小，进而提高涂层的使用寿命。(通俗来讲，当两个热膨胀系数相差较大的涂层沉积在一起时，升温或者降温时，两个涂层的膨胀程度严重不同，就会导致两个涂层之间的应力增大，从而导致两个涂层之间产生裂纹，甚至脱落的问题。)进一步，所述反射层的成分为REVO4、RETaO4、Y2O3中的一种或几种的混合物。有益效果：REVO4、RETaO4、Y2O3的反射系数高，因此对热辐射的反射效果佳，极大的降低高温环境下，铜合金基体的温度，从而提高制备的铜合金的使用温度。进一步，所述反折射层的成分为石墨烯或碳化硼中的一种或两种的混合物，且石墨烯和碳化硼的空间分布均呈无序排列状态。有益效果：由于石墨烯或碳化硼的空间分布呈无序排列本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超极限铜合金，包括铜合金基体，其特征在于：所述铜合金基体表面依次沉积有复合粘结层和复合陶瓷层；复合粘结层包括沉积在铜合金基体表面的粘结层和沉积在粘结层表面的贵金属层；复合陶瓷层包括陶瓷A层和陶瓷B层。

【技术特征摘要】
1.一种超极限铜合金，包括铜合金基体，其特征在于：所述铜合金基体表面依次沉积有复合粘结层和复合陶瓷层；复合粘结层包括沉积在铜合金基体表面的粘结层和沉积在粘结层表面的贵金属层；复合陶瓷层包括陶瓷A层和陶瓷B层。2.根据权利要求1所述的一种超极限铜合金，其特征在于：所述复合粘结层的厚度为100-200μm，复合陶瓷层的厚度为150-500μm，复合陶瓷层外还依次沉积有厚度为10-30μm的反射层、厚度为10-30μm的反折射层、厚度为10-200μm的绝缘层和厚度为20-200μm的泡沫碳层。3.根据权利要求2所述的一种超极限铜合金，其特征在于：所述粘结层成分为MCrAlY、NiAl、NiCr-Al、Mo合金中的一种或几种的混合物，MCrAlY为NiCrCoAlY、NiCoCrAlY、CoNiCrAlY或CoCrAlY；贵金属层的成分为Au、Pt、Ru、Rh、Pd、Ir中的一种或多种的合金。4.根据权利要求2所述的一种超极限铜合金，其特征在于：所述陶瓷A层的成分为YSZ或稀土锆酸盐(RE2Zr2O7)，陶瓷B层的成分为ZrO2-RETaO4。5.根据权利要求4所述的一种超极限铜合金，其特征在于：所述反射层的成分为REVO4、RETaO4、Y2O3中的一种或几种的混合物。6.根据权利要求5所述的一种超极限铜合金，其特征在于：所述反折射层的成分为石墨烯或碳化硼中的一种或两种的混合物，且石墨烯和碳化硼的空间分布均呈无序排列状态。7.根据权利要求6所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晶，吴福硕，宋鹏，种晓宇，葛振华，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53