一种兼具弥散和沉淀强化的含Fe铜基材料及其制备方法技术

一种兼具弥散和沉淀强化的含Fe铜基材料及其制备方法，首先，采用感应熔炼与熔体雾化技术，制备比重与基体合金接近的含ZrO2与含Fe沉淀相混合物的铜基合金粉体中间材料；然后，选择一定大小的中间材料粉体，与工业纯铜一起为原料，配置目标合金；最后，采用感应熔炼技术，熔铸制备公斤级的具有弥散和沉淀双强化特征的含Fe铜基合金。含Fe铜基材料的组织特征是铜合金基体上均匀、弥散分布着不同数目密度的纳米ZrO2氧化物和含Fe沉淀相粒子。本发明专利技术合成出的含Fe耐蚀新型铜合金材料具备了DS

A copper base material containing Fe with both dispersion and precipitation strengthening and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种兼具弥散和沉淀强化的含Fe铜基材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种兼具弥散和沉淀强化的含Fe铜基材料及其熔铸制备方法，属于金属基复合材料制备领域。

技术介绍

[0002]高强高导铜合金材料在核聚变、航空航天、轨道交通和集成电路等领域具有广泛的应用。高强高导铜合金主要包括弥散强化铜(DS
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Cu)合金和沉淀强化铜(PH
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Cu)合金两大类。
[0003]DS
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Cu通过原位或非原位的方法将具有高熔点、高硬度以及高化学惰性的陶瓷颗粒(如氧化物、碳化物等)弥散分布于Cu中获得弥散强化。DS
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Cu的弥散强化相种类众多，包括氧化物(Al2O3、(Y,La,Ce,Gd)2O3、ZrO2等)、碳化物(WC、VC、TiC、NbC和TaC等)和硼化物(TiB2、CrB2和ZrB2等)。这些强化相粒子在保证合金电导率的同时，通过弥散强化和晶界钉扎机制提高合金的蠕变强度。然而，DS
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Cu合金的制备工艺非常复杂，合金胚锭主要通过粉末冶金获得，随后辅以塑性加工来改善致密度和调控组织，包含了热挤、冷拔，退火等多道工序。目前DS
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Cu规模化生产困难，国内尚无工业化生产能力，不能满足实际工程应用需求。
[0004]PH
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Cu合金通过高温固溶一定量的合金化元素，随后进行热机械加工和低温时效处理以获得沉淀强化；PH
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Cu典型体系为CuCrZr，它是目前聚变堆主要的候选热沉材料。CuCrZr合金规模制备技术成熟，其制备工艺流程主要包括：真空熔铸
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均匀化处理
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热轧
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固溶处理
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冷加工
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时效。CuCrZr合金用作热沉材料面临的最大挑战是其沉淀相的热稳定性差。当温度升高到450℃，CuCrZr合金的抗拉强度将迅速下降到300MPa以下，延伸率不足10％。另一方面，在焊接、热等静压等部件加工过程中，沉淀相粒子不可避免发生回溶、粗化，也将造成力学强度和导热率的显著降低。
[0005]在抗中子辐照性能方面，低剂量中子辐照可导致PH
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Cu的导热率显著下降、沉淀相相变和组织劣化，而DS
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Cu耐中子辐照性能整体优于PH
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Cu。服役过程中，热沉铜合金管中的冷却水受到中子辐照，在高温和辐照水共同作用下，管材表面会发生严重的氧化和纳米多孔化，易诱发裂纹发生与扩展，致使部件失效。因而，高温下组织和力学性能稳定性和耐辐照水的腐蚀性是聚变堆用铜合金必须兼顾解决的问题。

技术实现思路

[0006]针对目前存在的DS
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Cu规模化制备困难、PH
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Cu高温组织/性能稳定性差和耐辐照水腐蚀性能要求，本申请设计、专利技术了一种兼具弥散和沉淀强化效应的耐蚀铜合金及其制备方法，获得了具有高导电率、良好高温力学性能与耐腐蚀的铜基合金材料。
[0007]本专利技术利用合金化引入技术，先特制含Fe和ZrO2的中间合金，然后以其与Cu为原料，配制并通过熔铸法制备兼具氧化物弥散相、沉淀强化相的含Fe铜合金。该方法首先基于组元间化学亲和力的差异，以工业纯Zr、Cu、Fe与Cu2O为原料，配置不同Fe、O含量的合金，通过熔体雾化技术制备含ZrO2氧化物与Fe沉淀物的铜基中间合金粉末，这是实现熔铸法制备
沉淀、弥散双强化铜合金的关键环节。在后续以中间合金粉末为原料进行熔铸制备目标铜合金过程中，一方面，中间合金中高熔点ZrO2氧化物(熔点2710℃)随合金粉体(比重与铜基体接近)浸入并均匀分散到合金熔体中；另一方面，中间合金中其它物相(包括Fe沉淀物在内，熔点均不超过1500℃)发生熔化，将Zr、Fe组元带入、固溶到合金熔体中，冷却时Zr同Fe一起，析出形成纳米沉淀相(低温下Fe在Cu中的固溶度很小，但由于Zr的媒介作用，也有少量Fe固溶在铜基体中)。从而，获得兼具弥散与沉淀双强化的含Fe铜基材料。性能测试结果表明：这种双强化铜合金材料的高温强度高、导电性好、在水中的耐蚀性优良。并且能实现公斤级制备，可规模化生产。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0009]一种兼具弥散和沉淀强化的含Fe铜基材料，所述含Fe铜基材料的组织特征是铜合金基体上均匀、弥散分布着不同数目密度的纳米ZrO2氧化物和含Fe沉淀相粒子，粒子大小和数目密度通过制备工艺和成分调节。ZrO2氧化物和含Fe沉淀相粒子大小能够在20
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200nm之间调控，当颗粒大小一定时，其数目密度与Fe、Zr、O含量有对应关系，合金整体的Fe含量取值区间为0.09～2wt.％，Zr含量的取值为0.3～6.5wt.％，O:Zr原子比为1:1。
[0010]一种兼具弥散和沉淀强化的含Fe铜基材料的制备方法。首先，采用感应熔炼与熔体雾化技术，制备比重与基体合金接近的含ZrO2与含Fe沉淀相混合物的铜基合金粉体中间材料；然后，将其筛分，选择一定大小的中间材料粉体，与工业纯铜一起为原料，配置目标合金；最后，采用感应熔炼技术，熔铸制备公斤级的具有弥散和沉淀双强化特征的含Fe铜基合金。具体包括以下步骤：
[0011]第一步，制备含ZrO2与Fe的铜基合金粉体中间材料。以工业纯Zr、Cu、Fe与Cu2O为原料配置合金，在低真空下通过感应熔炼结合熔体雾化技术，获得组织均匀性好的、含有不同Zr、Fe含量的铜基合金粉体作为中间材料。具体步骤如下：
[0012]1.1)根据制备双强化铜合金的设计需要，确定粉状中间材料的成分配比，其原子百分比成分通式为Cu
100
‑
a
‑
2b
Fe
a
Zr
b
O
b
，原子百分比成分，包括Cu、Zr、Fe和O元素，其中a和b取值分别为10≤a≤20，10≤b≤20。
[0013]1.2)以工业纯Cu金属与Fe、Zr、Cu2O粉为原料配制合金，混合后置于雾化炉坩埚内，然后抽真空至1～2Pa，充入0.05～0.10MPa工业纯Ar气进行感应熔炼：加热至1200～1300℃，保温5～15min，反应形成Zr2O氧化物，获得氧化物均匀分布的合金熔体。随后通过熔体雾化技术将其喷出冷却，得到粉体材料，筛分、备用。
[0014]采用扫描电镜，并结合X射线衍射仪与透射电镜技术表征粉体形态与结构。结果表明粉体的基体为铜固溶体，其上均匀分布着Zr2O氧化物粒子和含Fe析出相。其中Zr2O氧化物氧化物粒子大小可调控到10～100nm取值区间。
[0015]第二步，熔铸制备公斤级铜合金锭。步骤如下：
[0016]2.1)采用第一步步骤1.2)筛分出的Cu
100
‑
a
‑
2b
Fe
a
Zr
b
O
b...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼具弥散和沉淀强化的含Fe铜基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，制备含ZrO2与Fe的铜基合金粉体中间材料；以工业纯Zr、Cu、Fe与Cu2O为原料配置合金，在低真空下通过感应熔炼结合熔体雾化技术，获得组织均匀性好的、含有不同Zr、Fe含量的铜基合金粉体作为中间材料；具体步骤如下：1.1)根据制备双强化铜合金的设计需要，确定粉状中间材料的成分配比，其原子百分比成分通式为Cu
100
‑
a
‑
2b
Fe
a
Zr
b
O
b
，原子百分比成分，包括Cu、Zr、Fe和O元素，其中a和b取值分别为10≤a≤20，10≤b≤20；1.2)以工业纯Cu金属与Fe、Zr、Cu2O粉为原料配制合金，混合后置于雾化炉坩埚内，然后抽真空并充入工业纯Ar气进行感应熔炼，反应形成Zr2O氧化物，获得氧化物均匀分布的合金熔体；随后通过熔体雾化技术将其喷出冷却，得到粉体材料，所述粉体的基体为铜固溶体，其上均匀分布着Zr2O氧化物粒子和含Fe析出相，其中Zr2O氧化物氧化物粒子大小可调控到10～100nm之间；第二步，熔铸制备公斤级铜合金锭；步骤如下：2.1)采用第一步步骤1.2)筛分出的Cu
100
‑
a
‑
2b
Fe
a
Zr
b
O
b
中间材料粉体和工业纯Cu为原料，配置目标合金，其成分通式为Cu
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1～21wt％Cu
100
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a
‑
2b
Fe
a
Zr
b

【专利技术属性】
技术研发人员：王英敏，张吉亮，羌建兵，张骏峰，陈旭洲，朱颉，冯凯霖，魏明玉，房灿峰，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：