一种双相深度弥散强化的Cu-Al2O3-LaB6复合材料及其制备方法与流程

本发明属于粉末冶金及金属基复合材料，具体涉及一种双相深度弥散强化的cu-al2o3-lab6复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、弥散强化铜基复合材料通过在铜基体中引入纳米级、热力学稳定的陶瓷增强相，是同时获得高强度和高导电性的经典途径。其中，采用内氧化法制备的cu-al2o3合金体系最为成熟。该方法通过在cu-al合金粉末中原位氧化生成纳米al2o3颗粒，可有效钉扎位错，赋予材料良好的室温和高温强度。

2、然而，随着尖端装备对材料服役温度(>900℃)和性能可靠性要求的不断提高，传统单一al2o3增强体系面临难以逾越的性能天花板。单一增强相的强度与抗软化温度在达到一定水平后难以协同提升：单纯增加al含量虽可提高al2o3体积分数和强化效果，但过量的固溶al和氧原子会显著降低导电率；同时，al2o3颗粒在高温下的粗化趋势会削弱其长期服役稳定性。因此，开发具有双相或多相协同增强效应的新型弥散强化铜合金，是本领域技术发展的必然方向。

3、内氧化法在生成理想纳米al2o3的同时，也可能引入严重的微观结构缺陷，成为制约材料综合性能突破的根源。具体表现为以下两大固有缺陷：(1)原始粉末边界氧化膜：氧气从粉末表面向内扩散时，易在原始粉末颗粒边界形成连续或网状的al2o3氧化膜。该氧化膜在后道烧结过程中成为阻碍金属颗粒间冶金结合、降低致密度与界面强度的屏障；(2)原始晶界上的长条状有害氧化物：由于铝原子在晶界的偏聚效应和氧原子沿晶界的快速扩散，在cu-al合金粉末颗粒内部的原始晶界上，极易优先生成连续或长条状的al2o3。这些形貌不规则的氧化物是材料的固有缺陷，严重损害最终产品的塑性、韧性、导电率均匀性及高温稳定性。

4、六硼化镧(lab6)作为一种高熔点、极低蒸气压、优异化学稳定性和良好导电性的稀土硼化物，是铜基复合材料的理想增强相候选。la和b在铜基体中的固溶度极低，对导电率的不利影响可忽略不计，同时lab6纳米颗粒可通过弥散强化机制显著提高铜基体的强度和高温稳定性。然而，将lab6有效复合到cu-al2o3体系中面临重大技术挑战。传统机械混合法（如滚筒混合、v型混料）仅能使lab6纳米颗粒物理附着于粉末表面，在后续压制和烧结过程中极易团聚、偏聚于晶界，无法发挥其三维弥散强化的潜力，甚至引入新的性能不均匀性。

5、综上所述，现有技术中尚不存在一种能够同步克服内氧化法的微观组织缺陷，并实现高性能第二相纳米颗粒在三维空间深度均匀弥散的创新制备技术。开发此类技术是获得下一代革命性高性能弥散强化铜材料的必由之路。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有内氧化法制备cu-al2o3材料时存在的“界面氧化膜”与“晶界不利氧化物”两大微观缺陷，以及第二相(lab6)难以实现深度均匀弥散的双重技术难题，提供一种能够同步实现界面净化、组织优化与双相深度协同强化的高性能铜基复合材料及其高效、可靠的制备方法。本发明使材料同时满足以下性能指标：室温抗拉强度≥550mpa，导电率≥85%iacs，抗软化温度≥1000℃。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种双相深度弥散强化的cu-al2o3-lab6复合材料，按质量分数计，所述复合材料包含al：0.075%～0.15%、lab6：0.5%～1.0%，余量为cu及不可避免的杂质；所述复合材料中，原位生成的纳米al2o3颗粒与深度嵌入铜基体的纳米lab6颗粒在铜基体中三维、纳米尺度均匀弥散分布，且不存在连续的原始粉末边界氧化膜及沿原始晶界分布的长条状有害氧化物。

4、其中，al含量精控在0.075%～0.15%：此精控范围旨在通过内氧化生成足量纳米al2o3提供基础强化，同时最大程度降低对铜基体导电率的损害。al含量低于0.075%时，生成的al2o3量不足，基础强化效果不显著；高于0.15%时，固溶al量增大，导电率下降明显，且内氧化过程中更易形成晶界有害氧化物。lab6含量精控在0.5%～1.0%：作为关键的第二增强相，此添加量可在成本与性能间取得最佳平衡。lab6含量低于0.5%时，第二相强化效果不显著，难以实现抗软化温度≥1000℃的目标；高于1.0%时，过量的硬质颗粒会破坏基体连续性，导致塑性显著下降，且混料难度增大，易出现团聚。所述lab6为外加纳米粉末，其一次颗粒平均粒径为20～100nm：粒径过大则弥散强化效果减弱，粒径过小则粉末活性过高、易氧化，且混料过程中易团聚。在最终材料中，原位生成的纳米al2o3颗粒(5～20nm)与通过等离子高能球磨深度嵌入的纳米lab6颗粒(20～100nm)在铜基体中实现三维、纳米尺度的均匀弥散分布，且不存在连续的原始粉末边界氧化膜及沿原始晶界分布的长条状有害氧化物。

5、进一步的，所述复合材料中，纳米al2o3颗粒的粒径为5～20nm，纳米lab6颗粒的粒径为20～100nm。

6、本发明还提供了所述双相深度弥散强化的cu-al2o3-lab6复合材料的制备方法，包括以下步骤：

7、步骤一、cu-al合金熔炼与可控雾化制粉：采用电解铜和电解铝为原料进行熔炼，将熔炼好的cu-al合金液进行气体雾化，获得球形或近球形cu-al预合金粉末；

8、步骤二、内氧化：将cu-al合金粉末与cu2o粉末混合后进行内氧化，得到cu-al2o3复合粉末；

9、步骤三、等离子高能球磨：将所述cu-al2o3复合粉末与纳米lab6粉末置于等离子高能球磨机中进行球磨；

10、步骤四、冷压成形：将球磨后粉末进行冷等静压压制成形，获得压坯；

11、步骤五、烧结：将压坯置于烧结炉中，在氢气或真空保护气氛下进行烧结；

12、步骤六、热加工：对烧结坯进行热锻或热挤压，进一步致密化并破碎烧结残余孔隙；

13、步骤七、冷变形：将热加工后的坯料在室温下进行冷轧或冷拉拔。

14、进一步的，步骤一中所述熔炼温度为1100～1250℃，保温30～60分钟；所述气体雾化采用氮气或氩气保护，雾化压力为2.0～5.0mpa，获得的cu-al预合金粉末粒径范围为50～100μm。

15、进一步的，步骤二中所述内氧化温度为550℃～800℃，时间为1～6小时。

16、进一步的，步骤三中所述等离子高能球磨的工艺参数为：球料比15:1～25:1，转速350～450rpm，时间8～15小时，惰性气体保护，通入体积分数为0.5%～1.5%氢气作为过程控制剂。进一步的，步骤四中所述冷等静压的压制压力为300～600mpa。

17、进一步的，步骤五中所述烧结温度为950～1050℃，保温时间2～4小时。

18、进一步的，步骤六中所述热锻或热挤压的温度为850～1000℃，变形量50%～95%。

19、进一步的，步骤七中所述冷轧或冷拉拔的总变形量为50%～95%，冷变形过程中进行中间退火，退火温度为650～850℃，保温时间0.5～2小时。

20、进一步的，所述cu-al2o3-lab6复合材料的室温抗拉强度≥550mpa，导电率≥85%iacs，抗软化温度≥1000℃。

21、进一步的，所述cu-al2o3-lab6复合材料用于电阻焊电极、大规模集成电路引线框架、轨道炮、高功率密度散热器件或特种耐高温导电结构件。

22、本发明具有以下有益效果：

23、(1)本发明首创性地利用等离子高能球磨，一举解决了内氧化法固有的界面氧化膜和晶界不利氧化物两大微观组织缺陷。现有技术的球磨能量不足以实现界面净化和组织重构，而本发明的等离子高能球磨通过等离子体活化与超高机械能的协同，实现了氧化膜的彻底剥离和晶界网络的打碎重组。这一效果是本领域技术人员基于现有技术无法预期的——传统观念认为球磨仅用于破碎粗大颗粒或均匀混合，而本发明发现通过特定的高能球磨工艺参数（球料比15:1～25:1、转速350～450rpm、时间8～15小时），可以实现界面相从有害连续膜到无害离散颗粒的转变，从根本上提升了材料的本征质量、界面结合强度和基体纯净度。

24、(2)深度的双相协同强化：在优化的洁净基体上，深度弥散的纳米lab6与均匀细化的纳米al2o3构成多层次、多维度的强化网络。al2o3颗粒(5～20nm)主要分布于晶粒内部，并在原始晶界处以细小离散颗粒形态存在，有效钉扎位错运动；lab6颗粒(20～100nm)在晶内和晶界均匀分布，既钉扎位错又抑制晶界滑移。两者在强化机制上高效协同，产生了1+1>2的增强效果，使材料室温抗拉强度达到550mpa以上，抗软化温度达到1000℃以上。

25、(3)组织的净化与低固溶度增强相的选择，使材料在获得超高强度的同时对导电率的损害降至最低。实施例的导电率达到85%～91%iacs，与商业c15760相当，但强度显著更高。这一性能组合在现有单一增强相体系中难以实现，因为现有技术提高强度的主要途径是增加al2o3含量，而这必然导致导电率下降。界面缺陷的消除显著改善了材料的塑性、韧性及性能一致性。实施例延伸率达10%～20%，显著优于传统弥散强化铜。这得益于：界面氧化膜的去除使晶界结合强度提高；晶界长条状氧化物的打碎消除避免了应力集中和脆性断裂源；lab6的深度弥散避免了局部脆化。

26、(4)本方法将成熟的内氧化与先进的等离子高能球磨技术创造性集成，前者提供热力学稳定的纳米内生相，后者提供极致的微观组织调控与非互溶第二相的复合能力。工艺路径清晰，与传统粉末冶金生产线兼容性好，仅需在常规内氧化后增加等离子高能球磨工序，设备投资和工艺改造成本可控，具备显著的产业化潜力。