[发明专利]一种兼具弥散和沉淀强化的含Fe铜基材料及其制备方法

说明书

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。本发明合成出的含Fe耐蚀新型铜合金材料具备了DS‑Cu性能以及PH‑Cu制备工艺优势，且成本低、重复性好，氧化物颗粒与沉淀相的大小与含量可有效调控；整体工艺过程简单、高效、可控，易于实施工业化规模生产。

技术领域

本发明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。

背景技术

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-Cu)合金和沉淀强化铜(PH-Cu)合金两大类。

DS-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-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-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-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。

PH-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-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-均匀化处理-热轧-固溶处理-冷加工-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。

在抗中子辐照性能方面，低剂量中子辐照可导致PH-Cu的导热率显著下降、沉淀相相变和组织劣化，而DS-Cu耐中子辐照性能整体优于PH-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。

发明内容

针对目前存在的DS-Cu规模化制备困难、PH-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、发明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。