[发明专利]一种石墨烯形变Cu-Cr系原位复合材料的制备方法

说明书

一种石墨烯形变Cu‑Cr系原位复合材料的制备方法，其步骤如下：(1)采用行星球磨机在惰性气氛保护下对石墨烯、铬粉和铜粉进行液氮低温球磨，制备石墨烯形变Cu‑Cr系原位复合材料所需的混合粉；(2)采用中频感应熔炼炉熔炼铜块，待熔融后加入适量润湿剂和球磨混合粉，通过柱状石墨模浇铸石墨烯Cu‑Cr系合金棒；(3)将浇铸的石墨烯Cu‑Cr系合金棒进行热轧和冷拔变形；(4)对最终冷拔变形的石墨烯形变Cu‑Cr系原位复合材料进行时效处理，制备综合性能良好的大尺寸形变Cu‑Cr系原位复合材料。本发明通过石墨烯的有效加入，可削除传统原位复合材料制备过程中所需的中间热处理工艺，大幅增加最终材料的使用尺寸。

技术领域

本发明属于有色金属材料制备技术领域，尤其是涉及一种综合性能良好的大尺寸形变Cu-Cr系原位复合材料的制备方法。

背景技术

形变铜基原位复合材料是在高强高导铜合金的基础上发展起来的新型高强高导电铜基复合材料。其主要是通过大塑性变形，使铜合金中的枝晶状第二相在基体中形成定向排列的纤维，从而大幅提高材料的强度，并利用铜基体的定向通道提升材料的导电性能，因此具有高的强度和良好的电导率。这类材料中的溶质元素含量通常较高，质量百分比一般在5％以上，随溶质元素种类、含量及变形量的不同，材料的抗拉强度和电导率通常在500-2000MPa和50-90％IACS。这类复合材料的纤维组织是在材料制备过程中原位形成的，因此称作形变铜基原位复合材料。

目前Cu-Nb、Cu-Ta、Cu-Ag、Cu-Fe及Cu-Cr等二元形变铜基原位复合材料具有较好的强度和电导率匹配。但Nb、Ta及Ag等都是贵金属，而且Nb、Ta的熔点高，液态Cu和Nb、Ta存在较大的溶混间隙，从而大大限制了这类新材料的工业化生产和商业化应用。尽管Fe具有材料来源广、熔点相对较低、强化效果明显等优势，但Fe在Cu基体中的高温固溶度较高、低温扩散速度慢，导致室温下基体中Fe含量远远超过其平衡溶解度，严重降低Cu基体的电导率。因此，相对熔点较低、成本合理、固溶度小、自身强度较高的Cr是形变铜基原位复合材料极具前途的第二组元。

近年来，大规模集成电路、高速电气化铁路及高强磁场的快速发展对导电性铜基材料的综合性能提出了更高要求。比如，大规模集成电路的引线框架，要保证其在承载时的长期稳定性，材料的抗拉强度和电导率必须分别达到或者大于600MPa和80％IACS；高速电气化铁路的高速、重载发展趋势对接触线的载流能力和运行稳定性提出了新要求，当列车时速达到350Km/h时，接触线材料的理想抗拉强度和电导率应该达到600MPa和80％IACS以上；高强磁场的内层线圈，需要材料有足够的强度来承受高强磁场产生的巨大洛仑兹力，同时需要材料具有良好的电导率以降低线圈运行过程中产生的焦耳热，要获得100T的脉冲强磁场，通常要求材料的强度和电导率分别在1GPa和60％IACS以上。而高强高导Cu-Cr合金的强度通常在400-600MPa之间。因此，要满足高新技术领域对高强高导性铜基材料的应用需求，就必须研究和发展形变Cu-Cr系原位复合材料。

然而，形变Cu-Cr系原位复合材料的高强度是通过大塑性变形获得的，要获得抗拉强度约为1000MPa的形变Cu-Cr系原位复合材料，其冷变形应变量通常要达到7甚至更高，根据冷变形应变量η的定义：η＝ln(A₀/A_f)，其中：A₀为初始截面面积；A_f为变形后的终了截面面积，可知最终材料的截面面积仅为冷变形前材料截面面积的千分之一甚至更低，致使材料的使用尺寸通常在微-毫米级，限制了该类材料在一些高新技术领域的应用。比如《中华人民共和国铁道行业标准》中TB/T 2809－2005要求电气化铁道用铜及铜合金接触线的直径在10.80±1％-14.40±1％mm之间，TB/T 3111－2005要求大多数电气化铁道用铜及铜合金绞线的直径在1-3mm之间；《中华人民共和国国家标准》中GB/T 20254.1－2006要求引线框架用铜及铜合金平带的厚度在0.1-2.0mm之间，GB/T 20254.2－2006要求引线框架用铜及铜合金U型带的边部厚度在1.27-2.0mm之间。