[发明专利]一种多层复合梯度纳米纯铜材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多层复合梯度纳米纯铜材料的制备方法，属于金属材料加工技术领域。

背景技术

铜具有很多优异的综合性能：对大气、海水、土壤以及许多化学介质有很强的耐蚀性；具有高导电性、高导热率和良好的加工、铸造、焊接、易切削等工艺性能而日益广泛地应用于电力、冶金、机械装备、航空航天等领域。然而铜的强度低、耐磨性差，严重限制了铜作为结构材料的应用，如何提高其塑性和韧性成为近年国际材料领域的一项重大难题。块体纳米金属结构能极大地提高铜的强度，但几乎没有拉伸塑性。而结构材料的失稳大多始于表面，材料的疲劳、磨损、腐蚀等失效行为对材料的表面结构和性能很敏感，从表面优化的角度出发，在材料表面制备出一定厚度的纳米结构表层，通过实现表面组织优化来提高材料的整体性能成为一种行之有效的方法。而常见的通过表面改性的方法（PVD、CVD、等离子加工、热喷涂等）改善其性能的工艺往往较复杂，对设备的要求较高，能耗及成本较高，并且效果并不理想。近年来，通过表面纳米化来制备梯度纳米结构材料的方法越来越受到人们的关注。通过高能球磨增加多晶体自由能，产生大量缺陷和界面从而使粗晶细化至纳米尺度，能有效的提高材料的强度及硬度。该方法简单方便，采用常规表面处理方法即可实现，所形成的晶粒尺寸沿厚度方向呈梯度变化，且与基体组织之间不存在明显的界面。目前，常用的大塑性变形方法有等径角挤压、高压扭转、叠轧等。但由于制备过程复杂，很难实现连续化的工业生产。

电镀作为常规的表面涂层沉积技术工艺已经比较成熟，通过工艺参数的调节可以很简便地控制镀层厚度和晶粒的尺寸。单次表面纳米化处理能很好地提高纯铜材料强塑性，通过与电镀工艺结合，形成内部晶粒尺寸由小到大连续变化的梯度纳米结构，在变形过程中，通过多层间结合及不同尺寸晶粒间的协调变形，梯度结构组织可有效地抑制纳米晶粒在变形过程中可能产生的应变集中和早期颈缩，延迟了裂纹萌生，粗晶结构则为材料整体提供塑性，各特征尺寸对应多种作用机制，使材料的性能和服役行为得到更好的优化。

本发明利用高能球磨机对铜板材进行表面机械研磨处理（SMAT），并结合电镀工艺在处理后的铜板上电镀厚铜，再进行表面机械研磨处理，多次重复制备从表面至心部晶粒尺寸呈梯度变化（即：从最表面的纳米晶粒层逐渐过渡至次表面的超细晶粒层再过渡到塑性变形层最终过渡到心部的粗晶粒层）的多层复合梯度纳米结构铜材料，其整体材料具有高强度、高塑性等优异力学性能。

发明内容

为克服现有技术对纯铜材料强塑性提高的不足，本发明提供了一种多层复合梯度纳米纯铜材料的制备方法，利用高能球磨表面纳米化技术，改变铜板表面层为稳定的梯度结构材料，并结合电镀工艺，制备出从具有高强度的多层梯度纯铜材料，具体包括以下步骤：

（1）将纯铜材料于400~700℃的温度下真空退火2~4小时；

（2）在步骤（1）得到的纯铜材料表面通过高能球磨的方法对其进行表面纳米化处理，其工艺参数为：钢球直径8mm，取100~200颗；频率50Hz，时间1~30min；

（3）对步骤（2）得到的纯铜材料进行镀前处理：将纯铜材料置于丙酮溶液中超声除油10min后进行碱洗、酸洗，酸洗的溶液配方和工艺条件为：硫酸100~150ml/L，硫酸铁50~80g/L，室温浸泡1~2min；

（4）对步骤（3）得到的纯铜进行电镀，电镀液配方为Cu²⁺ 40~45g/L，硫酸150~170g/L，明胶20~40mg/L，硫脲20~50mg/L，电镀条件为：温度65~68℃，阴极电流密度2~3A/dm²，使用双阳极电镀，阴阳极面积比1:1~2，阳极为电解铜板，电镀时间10~20h；

（5）将步骤（4）所得纯铜材料再次进行高能球磨处理，处理方式与步骤（2）一致得到三层复合梯度纳米纯铜材料；重复步骤（3）~(5)，得到多层复合梯度纳米纯铜材料。

纯铜材料为板材，其厚度为1~5mm。

步骤（2）中所述高能球磨处理需在真空环境下进行，处理温度为室温或液氮温度。

步骤（3）中所述碱洗工艺为现有技术中的常规工艺。

本发明的有益效果为：

本发明将高能球磨表面纳米化方法和电镀工艺结合起来，获得其他加工工艺难以获得的多层复合梯度纳米纯铜材料，所得多层复合梯度纯铜材料具有很高的强度，为退火态纯铜的3倍以上，且能保持较好的塑性；本发明所述制备方法简单，易于实现连续化生产，产品质量稳定，设备资金投入比较少，维护方便。

附图说明