液相原位反应制备纳米氧化钇弥散强化铜基复合材料及性能研究

发布时间：2016-11-09 09:53

  本文关键词：液相原位反应制备纳米氧化钇弥散强化铜基复合材料及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《南昌大学》 2015年

液相原位反应制备纳米氧化钇弥散强化铜基复合材料及性能研究

卓海鸥  

【摘要】：高强高导铜合金(复合材料)应兼具高强度和高导电性能,以及良好的抗高温软化性能。一般可分为两类:以Cu–Cr合金为代表的沉淀强化铜合金,因位错切割与Cu基体共格的强化颗粒而具有高的室温强度,但抗高温软化能力差;以Cu–Al2O3合金为代表的弥散强化铜基复合材料,因Al2O3粒子的热稳定性高而具有优良的高温性能,但Al2O3颗粒的Orowan强化机制效果一般。Y2O3等稀土氧化物具有高的热力学稳定性,而且其类萤石结构与Cu基体有位相匹配关系,在合适的情况下能与Cu基体形成共格关系的相界面。此外,Y在Cu中极低的溶解度和很小的扩散速率会抑制Y2O3粒子的团聚和长大,从而得到纳米级的弥散颗粒。因此,Y2O3等稀土氧化物被认为是铜基材料最为理想的强化相。液相原位反应法使溶质原子在液相下原位生成氧化物弥散颗粒,很好地解决了Y等稀土元素在铜基体中由于固溶度极少和偏聚问题带来的材料设计上的困难。本文采用液相原位反应法制备Cu–Y2O3复合材料,研究了稀土元素Y对铜基体组织和性能的影响,及Y在铜中分布和存在形式;重点研究了Cu–Y2O3复合材料的组织与性能,探讨了Y2O3颗粒的原位生成机理和颗粒弥散强化机制,以及其它相关基础问题。得到的主要结论有:(1)在Cu–Y合金中,稀土Y多以六方的Cu7Y中间相的形式偏聚于晶界处;合金组织随着Y含量的增大而不断细化,晶粒尺寸由Cu–0.05Y合金的500μm降到Cu–1.5Y合金的80μm;在稀土元素净化基体、细化晶粒以及形成中间化合物的共同作用下,Cu–Y合金的导电率随Y含量的增加先升高后降低,Y含量为0.05%时合金的导电率最高,达101.8%IACS;Cu–Y合金的显微硬度随着Y含量的增加而升高,这主要是细晶硬化和第二相硬化的结果。(2)Cu–Y合金的原位反应从热力学上来讲为择优氧化,温度和氧分压是控制择优氧化的关键因素。Y发生择优氧化时的氧分压上限和下限分别由方程73.14/16300lg2TP+-=O和00.13/17830lg2TP+-=O给出,液相原位反应可根据反应温度来选择合适的氧分压。对液相原位反应过程的动力学研究表明,反应前锋位置单位体积内Y2O3的形核数量表达式为,Y2O3颗粒的半径为。为保证得到纳米级的Y2O3颗粒,氧原子应与Cu–Y熔体充分接触,以形成更大的反应界面。(3)在液相原位反应过程中,当没有氧原子存在时,Cu–Y熔液由于存在动态平衡不会凝固。当有氧原子进入熔液中时,Y优先与O反应生成Y2O3颗粒,在颗粒附近的局部区域将会因贫Y而形成过冷。且Y2O3颗粒可作为形核剂加速熔液的不均匀形核,在过冷度和形核剂的共同作用下,熔液发生等温凝固。在等温凝固条件下,Y2O3颗粒的长大过程就由液相扩散变为固相扩散,扩散速率大幅降低,长大过程被抑制,最终得到均匀分布的纳米Y2O3弥散强化铜基复合材料。(4)Cu–Y2O3复合材料的TEM观察发现,Y2O3颗粒分布均匀,在晶粒内外均无偏聚,颗粒形貌多为球状、椭球状。Y2O3颗粒尺寸细小,粒径呈单峰分布,最大不超过14 nm,颗粒的尺寸随着Y含量的增加有降低的趋势。Y含量为0.05%时,Y2O3颗粒的平均尺寸为6.1 nm,颗粒间距为24.0 nm;Y含量为0.2%时,Y2O3颗粒的平均尺寸为4.9 nm,颗粒间距为18.0 nm;Y含量为0.4%时,Y2O3颗粒的平均尺寸为4.7 nm,颗粒间距为20.0 nm;Y含量为1.0%时,Y2O3颗粒的平均尺寸为3.8 nm,颗粒间距为16.5 nm。(5)通过HRTEM观察和SAD花样分析表明,Y2O3颗粒的晶面取向与铜基体明显的一致,Cu和Y2O3两相界面的错配度δ=0.036,颗粒与基体具有完全共格的界面关系。由于Y2O3具有很高的热力学稳定性,退火并不会改变Y2O3颗粒与基体的界面关系,而且这种共格界面还会阻碍颗粒的粗化,所以Cu–Y2O3复合材料经高温退火后,颗粒依然均匀弥散地分布在基体上,尺寸仍为纳米级。随着Y2O3含量的增加,Cu–Y2O3复合材料的导电率呈下降趋势,但其导电率仍能保持在90%IACS以上。Cu–0.9vol.%Y2O3复合材料的导电率为98%IACS,高于美国SCM公司生产的Cu–Al2O3复合材料,变形量对Cu–Y2O3复合材料的导电率的影响不大。(6)Cu–Y2O3复合材料的显微硬度随着Y2O3含量的增加而升高,Cu–3.34vol.%Y2O3复合材料的显微硬度为93 HV,比纯铜提高了65%。Cu–Y2O3复合材料的加工硬化性能良好,Cu–0.9vol%Y2O3经过55%的变形后,材料的硬度从74 HV提高到120 HV。在800 oC以下退火时,Cu–Y2O3复合材料的硬度下降缓慢,平均软化速率为1 HV/100 oC,到800oC以上,材料的硬度才出现明显下降,而纯铜在400 oC退火时硬度就开始明显下降。(7)液相原位反应法制备的Y2O3体积分数分别为0.11%、0.45%、0.9%、2.24%的Cu–Y2O3复合材料,其抗拉强度随着Y2O3含量的增加而升高,分别为356 MPa、425 MPa、548 MPa、623 MPa。由于Y2O3的体积含量并不高,所以Cu–Y2O3复合材料的延伸率都能保持在30%以上,其断口形貌呈明显地韧性断裂特征。分析复合材料的强化机制,位错能够切过的共格析出相的最大尺寸为2.4 nm,尺寸超过2.4 nm的Y2O3颗粒将以绕过机制来强化基体,所以Cu–Y2O3复合材料的强化方式为切割机制和绕过机制共同作用。对临界应力的分析表明Cu–Y2O3复合材料具有良好的高温强度。

【关键词】：
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB333
【目录】：

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