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《大连理工大学》 2018年
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原位Cu-Ti(Zr)-B颗粒增强铜基复合材料的制备与性能研究

邹存磊  
【摘要】:颗粒增强铜基复合材料具有优异的导电性、导热性和延展性,同时还具有良好的耐磨性、较高的强度和热稳定性,可用于制造高压开关电触头、电磁轨道炮导轨、轨道交通接触线、高速铁路刹车片等。目前,颗粒增强铜基复合材料多采用粉末冶金、机械合金化、原位反应熔铸等方法制备。原位反应熔铸法是在熔炼过程中通过化学反应在铜熔体中原位反应生成颗粒增强相,然后浇铸成型。可以实现一次成型,其工艺简单、成本低廉,而且基体和增强相的界面相容性好,凝固成型致密度高。然而,原位反应熔铸法制备颗粒增强铜基复合材料存在着两个重要的问题亟待解决:一是增强相的团聚问题,在熔体反应和凝固过程中增强相颗粒由于降低表面自由能的趋势而倾向于聚集分布,在材料拉伸过程中颗粒团聚处会成为裂纹源,并使裂纹扩展直至断裂,严重影响材料的力学性能;二是熔铸中易引入有害杂质元素,颗粒增强相原位反应不完全时残留在熔体中也会变成杂质元素,即便是微量的固溶杂质也会严重损害材料的导电性能。因此,如何制备出组织均匀、颗粒弥散、综合性能更为优异的铜基复合材料是学术界和产业界十分关注的热点问题。本文通过原位反应熔铸法,选取Cu-Ti(Zr)-B体系为研究对象,制备了原位颗粒增强Cu-TiB2和Cu-Zr-ZrB2复合材料。通过旋转搅拌磁场改善了 TiB2颗粒在Cu基体中的分布。利用稀土 La对原位TiB2颗粒调控和对基体净化除杂作用优化了 Cu-TiB2复合材料的组织和性能。为避免原位反应不完全所致溶质元素残余,提高基体强度,设计并制备了 Cu-Zr-B体系铜基复合材料,其中微米级ZrB2和纳米级Cu5Zr双级颗粒增强的协同强化作用使复合材料同时具备高强、高导和高耐磨性。通过轧制变形处理提升复合材料的力学性能,对轧制后复合材料的显微组织、力学性能、电学性能以及摩擦磨损性能进行了测试和分析。主要研究结果有:(1)利用Ti和B在Cu熔体中的原位反应,通过熔铸法成功制备了 Cu-TiB2颗粒增强铜基复合材料。原位反应生成的TiB2颗粒平均尺寸在1μm左右。透射电子显微分析表明,TiB2颗粒与Cu基体界面处存在的层错有效补偿了二者之间的晶格错配,形成了良好的界面结合。研究发现,经过轧制后的Cu-TiB2复合材料的抗拉强度和硬度均随TiB2含量的增加而提高,从纯Cu的397 MPa和126.3 HV提升至Cu-1.5 wt.%TiB2的442 MPa和142.8HV。复合材料电导率与纯铜相比虽有一定降低,但仍能保持在80%IACS左右。Cu-TiB2复合材料的摩擦磨损测试结果表明,由于TiB2颗粒的载荷传递强化作用,复合材料的主要磨损机制由纯铜的黏着磨损和疲劳磨损转变为黏着磨损和磨粒磨损,复合材料的耐磨性随着TiB2含量的增加而显著提高。(2)在Cu-TiB2复合材料凝固阶段施加不同强度的旋转搅拌磁场,发现旋转搅拌磁场可以有效改善TiB2颗粒在Cu基体中的分布,使TiB2颗粒由大块团聚状态转变为弥散分布状态。这主要是由于搅拌磁场产生的电磁体积力会引起复合材料熔体的强制对流,这种强迫对流冲散了聚合的TiB2团簇,从而获得均匀弥散分布的Cu-TiB2复合材料。当磁场强度过大时,过于剧烈的强制对流增加了 TiB2颗粒之间的碰撞几率,且会延长复合材料熔体凝固时间,使已经分散的TiB2颗粒重新聚合。因此,搅拌磁场的强度存在最优值,在本研究中励磁电流为60 A时,TiB2颗粒的弥散分布效果最佳。根据复合材料强化理论,在施加搅拌磁场后,TiB2颗粒的弥散分布弥补了颗粒聚集对强化效果的损害,有效提高了复合材料的力学性能。施加60A励磁电流的搅拌磁场后,Cu-1wt.%TiB2的抗拉强度由未施加磁场时的406 MPa提升至470 MPa。(3)在Cu-TiB2复合材料中加入了微量的稀土 La,发现稀土 La可以明显细化Cu熔体中原位自生的TiB2颗粒,颗粒的平均尺寸由未添加La时的1132 nm减小至0.04 wt.%La时的422nm。这主要是由于表面活性元素La可以降低熔体与颗粒的界面能,进而减小TiB2颗粒的临界形核自由能,提高TiB2的形核率,使TiB2颗粒的平均尺寸减小。在稀土 La的作用下,TiB2颗粒变得更加圆润。这是由于稀土 La对界面能的降低作用使TiB2颗粒与熔体的润湿角减小,良好的润湿性使TiB2的小平面特征弱化,界面形貌趋于平滑。由于稀土 La对TiB2颗粒尺寸和形貌的改善作用,Cu-TiB2复合材料的强度、硬度和延伸率都得到了提升。此外,稀土 La对熔体具有净化作用明显提升了 Cu-TiB2复合材料的电导率,Cu-1wt.%TiB2-0.04wt.%复合材料的电导率达到了 88.7%IACS。(4)在上述研究基础上,本文设计并制备了 Cu-Zr-B体系双级颗粒强化铜基复合材料。通过Zr与B在Cu熔体中的原位反应生成微米级ZrB2颗粒,且过量Zr在固溶时效处理后可析出纳米级Cu5Zr相,有效避免了因原位反应不完全而导致的溶质元素残余对材料性能的损害,获得了具有双级颗粒协同强化的高强高导耐磨铜基复合材料。经轧制时效后,Cu-0.3 wt.%Zr-2 wt.%ZrB2的抗拉强度可达621 MPa,电导率能保持在78.4%IACS。与 Cu-0.3 wt.%Zr 相比,在不同载荷及滑动速度下,Cu-0.3 wt.%Zr-2 wt.%ZrB2的体积磨损量均显著下降,摩擦系数由0.8下降至0.6,主要磨损机制也由粘着磨损和疲劳磨损转变为粘着磨损和磨粒磨损。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB33

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