一種Mo-Cu複合材料的製備方法
2023-05-11 16:20:41 2
專利名稱：一種Mo-Cu複合材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種Mo-Cu複合材料的製備方法，特別是涉及一種利用機械合 金化法製備Mo-Cu複合材料的方法。
技術背景Mo屬於高熔點(2620 ±20°C)難熔金屬，具有彈性模量、高溫強度高，蒸 氣壓低，線膨脹係數小等特性。Mo-Cu複合材料是以Mo為基礎(含量為85 ~ 99% )， 並添加導熱性能很好的Cu組成，其密度為9. 7-10. lg/cm3。Mo-Cu複合材料具有足夠的高溫強度，優良的抗高溫燃氣燒蝕性能和抗電弧 腐蝕性能以及良好的抗熱震性能，因此可作為高溫結構材料、電觸頭材料、電 火花加工電極材料等。Mo-Cu複合材料還具有高的熱導係數和合適的熱膨脹系 數，可作為大功率器件的封裝材料，如半導體基片、模塊基片、高性能發動機 零部件材料及其他熱沉材料。將Mo-Cu複合材料與其他金屬、陶瓷等複合，還 可以製成性能過度變化的梯度功能材料。因此，Mo-Cu複合材料可廣泛應用於電 力、電子、機械、冶金、航天、航空和軍工等行業。作為軍工材料，除了要求Mo-Cu複合材料具有高的熱導係數外，還要求具 有高的氣密性和嚴格的熱膨脹係數，這就需要Mo-Cu複合材料接近全緻密。傳統的Mo-Cu複合材料製備方法為高溫液相燒結法和熔浸法。採用高溫液 相燒結法在常規燒結條件下製備的Mo-Cu複合材料難以達到期望的緻密度與組 織結構，相對密度只有94~95%左右。通過增加成型壓力來提高生坯密度，可 以提高複合材料的最終密度，但僅在一定範圍內有效，且作用有限；提高燒結 溫度也可使緻密度明顯提高，但對燒結條件要求苛刻，並且高溫下晶粒尺寸變 大，液相銅過分溢出，容易造成成分不均勻。熔浸法雖然可以獲得較高的緻密 度，但微觀組織控制困難，材料性能難以保證，且需要進行表面處理。機械合金化(mechanical alloying,簡稱MA)法作為一種新型的材料製備
工藝，近年來備受關注。機械活化是機械合金化的前期，它通過高能球磨，使 粉末在頻繁碰撞過程中發生強烈的塑性變形，因加工硬化而破碎，碎裂後粉末 露出的新鮮原子表面又極易發生焊合，反覆的破碎一焊合，使組織結構不斷細 化，缺陷增多，活性增大，從而促進燒結，提高合金性能。因此，通過機械合金化方法製備Mo-Cu複合材料將有助於提高Mo-Cu複合材料的緻密性能。 發明內容本發明的目的就是提供一種利用機械合金化法製備Mo-Cu複合材料的方法。 利用機械合金化法製備的Mo-Cu複合材料，不僅能夠滿足高性能發動機零部件 材料及其他熱沉材料的使用要求，而且在高溫下具備有抗氧化性、抗腐蝕、抗 蠕變、耐疲勞和變形小的特性。本發明的Mo-Cu複合材料是由經機械合金化的Mo、 Cu和Ni粉成型、燒結後製成，具體製備方法是1) Mo-Cu複合材料的原料組成成分為Mo粉 85~95wt%, Cu粉 4. 65~14.5wt%， Ni粉 0. 35 ~ 0. 5wt%;2) 將上述原料粉末放入不鏽鋼球磨罐中，於球磨機上混粉30 40min，使粉 末混合均勻；3) 向不鏽鋼球磨罐中加入不鏽鋼球，於氬氣保護下將混合粉末球磨20 ~ 30h，得到機械合金化複合粉末；4) 將機械合金化的複合粉末放入模具中，於40 50MPa壓力下保壓10~ 20min，壓製成壓型坯件；5) 將壓型坯件放入氫氣燒結爐中，以200 ~ 250°C/h的速度升溫至1100 ~ 1200°C,保溫1.5-2h，隨爐冷卻至室溫，出爐獲得Mo-Cu複合材料。其中，作為原料粉末的Mo粉純度應^99. 5%，粒度為4-6nm， Cu粉純度應>99%，粒度〈62pm， Ni粉純度應》99. 6%,粒度〈75pm。 機械合金化制粉工藝中，適合的工藝參數為 球磨介質不鏽鋼球磨罐中加入的不鏽鋼球的直徑為8~10mm; 球料比不鏽鋼球與混合粉末的球料比應為20 : 1; 填充係數不鏽鋼球磨罐的填充係數應為0.4-0.5; 球磨機公轉速度(coR):合適的轉速應為270 ~ 290r/min; 球磨機自轉速度(cor):合適的轉速應為260 ~ 270r/min。 本發明在機械合金化制粉工藝過程中，還向球磨罐中加入少量乙醇作為工 藝控制劑，乙醇的加入量佔粉末總量的2~4%。經機械合金化後的複合粉末顆粒呈等軸狀，平均粒徑大約為2.^m。 與現有技術相比，本發明通過機械合金化制粉法製備Mo-Cu複合材料燒結 粉末，可以在粉末中引入嚴重的晶格畸變、高密度缺陷和納米級精細結構，使 粉末體系的熱力學和動力學特徵與常規的固相反應不同，具有偏離平衡態的屬 性，顯示出極大的燒結活性，因而可以在較低的溫度下實現緻密燒結，燒結後 製備得到的Mo-Cu複合材料相對密度可達98%以上。同時，本發明通過添加少量 的Ni粉作為化學活化劑，可以進一步提高燒結活性，從而使燒結後的Mo-Cu複合材料緻密度進一步提高。實驗證明，機械合金化法是一種製備Mo-Cu複合材料的有效方法，它具有燒結溫度低，晶粒細，組織結構理想，材料緻密度高的優點，可以保證Mo-Cu 複合材料的緻密度大於98%。
具體實施方式
實施例1 1、原料混粉以Cu粉(62nm， 99%)、 Mo粉(4 ~ 6pm， 99. 5% )和Ni粉(75nm, 99.6%) 為原料，按照Mo : Cu : Ni=88 : 11. 5 : 0. 5的質量比，把複合粉末放入不鏽鋼球
磨罐(lOOOmL)中，在QM-ISP高能行星球磨機上混粉，使原料混合均勻，混粉 時間為30min。
2、 機械合金化制粉 具體工藝參數設置為
球磨介質不鏽鋼球(直徑為10mm); 球料比20 : 1; 填充係數0.5; 球磨時間25h;球磨機公轉速度(coR): 280r/min; 球磨機自轉速度((Or): 265r/min; 保護氣氛氬氣；工藝控制劑乙醇(粉末總量的3%)。
按照上述工藝參數，將複合粉末在QM-ISP高能行星球磨機上進行機械合金 化。機械合金化後複合粉末顆粒呈等軸狀，平均粒徑大約為2.^m。
3、 壓型
將經機械合金化的複合粉末放入模具中，然後把模具放到四柱萬能壓機下 壓製成型，成型壓力為40MPa，保壓時間為10min。得到的壓型坯件的尺寸規格 為25mm x 25mm x 130mm。
4、 燒結
將壓型坯件放入氫氣燒結爐中，以250°C/h的加熱速度升溫至IIOO'C進行 燒結，保溫2h。燒結後的壓型坯件隨爐冷卻至室溫出爐，得到Mo-Cu複合材料。 通過以上工藝製備的Mo-Cu複合材料的具體性能如下 抗拉強度(室溫)(cib): 520MPa; 抗拉強度(80(TC) (cjb): 321MPa; 延伸率(室溫)(5 ): 0.61%。
實施例21、 原料混粉以Cu粉(62jim， 99%)、 Mo粉(4 ~ 6pm， 99. 5% )和Ni粉(75jxm, 99.6%) 為原料，按照Mo : Cu : Ni=94 : 5. 6 : 0. 4的質量比，把複合粉末放入不鏽鋼球 磨罐(1000mL)中，在QM-ISP高能行星球磨機上混粉，使原料混合均勻，混粉 時間為40min。2、 機械合金化制粉機械合金化制粉的具體工藝參數設置為 球磨介質不鏽鋼球(直徑為8mm); 球料比20 : 1; 填充係數0.4; 球磨時間30h; 球磨機轉速290r/min; 球磨機公轉速度(coR): 290r/min; 球磨機自轉速度(oor): 270r/min; 保護氣氛氬氣；工藝控制劑乙醇(粉末總量的4%)。按照上述工藝參數，將複合粉末在QM-ISP高能行星球磨機上進行機械合金 化。機械合金化後複合粉末顆粒呈等軸狀，平均粒徑大約為2.68nm。3、 壓型將經機械合金化的複合粉末放入模具中，然後把模具放到四柱萬能壓機下 壓製成型，成型壓力為40MPa,保壓時間為15min。得到的壓型坯件的尺寸規格 為25mm x 25mm x 130mm。4、 燒結將壓型坯件放入氫氣燒結爐中，以20(TC/h的加熱速度升溫至120(TC進行 燒結，保溫2h。燒結後的壓型坯件隨爐冷卻至室溫出爐，得到Mo-Cu複合材料。 通過以上工藝製備的Mo-Cu複合材料的具體性能如下 抗拉強度(室溫)((Jb): 53證a; 抗拉強度(80(TC) (cjb): 34塗; 延伸率(室溫)(5 ): 0.65%。' 實施例31、 原料混粉以Cu粉(62， 99%)、 Mo粉(4 6薩，99. 5% )和Ni粉(75薩,99.6%) 為原料，按照Mo : Cu : Ni=85 : 14. 5 : 0. 5的質量比，把複合粉末放入不鏽鋼球 磨罐(1000mL)中，在QM-ISP高能行星球磨機上混粉，使原料混合均勻，混粉 時間為30min。2、 機械合金化制粉機械合金化制粉的具體工藝參數設置為 球磨介質不鏽鋼球(直徑為10mm); 球料比20 : 1; 填充係數0.5; 球磨時間30h; 球磨機轉速270r/min; 球磨機公轉速度(coR): 270r/min; 球磨機自轉速度(coj: 260r/min; 保護氣氛氬氣；工藝控制劑乙醇(粉末總量的4 / )。按照上述工藝參數，將複合粉末在QM-ISP高能行星球磨機上進行機械合金 化。機械合金化後複合粉末顆粒呈等軸狀，平均粒徑大約為2.73Mm。3、 壓型 將經機械合金化的複合粉末放入模具中，然後把模具放到四柱萬能壓機下壓製成型，成型壓力為40MPa,保壓時間為15min。得到的壓型坯件的尺寸規格 為25mm x 25mm x 130mm。 4、燒結將壓型坯件放入氫氣燒結爐中，以20(TC/h的加熱速度升溫至115(TC進行 燒結，保溫1.5h。燒結後的壓型坯件隨爐冷卻至室溫出爐，得到Mo-Cu複合材 料。通過以上工藝製備的Mo-Cu複合材料的具體性能如下 抗拉強度(室溫)(cjb): 4"MPa; 抗拉強度(80(TC) 285MPa; 延伸率(室溫)(5 ): 0.51%。
權利要求
1、 一種Mo-Cu複合材料的製備方法，其特徵是1) Mo-Cu複合材料的原料組成成分為Mo粉 85 ~ 95wt%, Cu粉 4. 65-14. 5wt%， Ni粉 0. 35 ~ 0. 5wt°/ ;2) 將上述原料粉末放入不鏽鋼球磨罐中，於球磨機上混粉30 40min，使粉 末混合均勾；3) 向不鏽鋼球磨罐中加入不鏽鋼球，於氬氣保護下將混合粉末球磨20 ~ 30h，得到機械合金化複合粉末；4) 將機械合金化的複合粉末放入模具中，壓製成壓型坯件；5) 將壓型坯件放入氫氣燒結爐中，以200 ~25(TC/h的速度升溫至1100~ 1200°C,保溫1.5 2h，隨爐冷卻至室溫，出爐獲得Mo-Cu複合材料。
2、 根據權利要求1所述的Mo-Cu複合材料的製備方法，其特徵是所述的Mo 粉的粒度為4 6pm， Cu粉的粒度〈62pm, Ni粉的粒度〈75戶。
3、 根據權利要求l所述的Mo-Cu複合材料的製備方法，其特徵是不鏽鋼球 磨罐中的球料比為20 : 1。
4、 根據權利要求l所述的Mo-Cu複合材料的製備方法，其特徵是加入的不 鏽鋼球的直徑為8~10mm。
5、 根據權利要求l所述的Mo-Cu複合材料的製備方法，其特徵是在機械合 金化制粉時，球磨機的公轉速度為270 ~ 290r/min,自轉速度為260 ~ 270r/min。
6、 根據權利要求l所述的Mo-Cu複合材料的製備方法，其特徵是在機械合 金化制粉時，還向球磨罐中加入佔粉末總量2 ~ 4wt。/。的乙醇。
7、 根據權利要求l所述的Mo-Cu複合材料的製備方法，其特徵是所述的壓 型坯件是於40 ~ 50MPa壓力下保壓lOmin壓制而成。
全文摘要
本發明涉及一種Mo-Cu複合材料的製備方法，是將85～95wt％Mo粉，4.65～14.5wt％Cu粉，0.35～0.5wt％Ni粉混合球磨得到機械合金化複合粉末，壓製成型後，於氫氣燒結爐中燒結製成Mo-Cu複合材料。本發明製備的Mo-Cu複合材料相對密度可達98％以上，不僅能夠滿足高性能發動機零部件材料及其他熱沉材料的使用要求，而且在高溫下具備有抗氧化性、抗腐蝕、抗蠕變、耐疲勞和變形小的特性。
文檔編號B22F3/12GK101121972SQ20071013944
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月11日 優先權日2007年9月11日
發明者宏 徐, 楊亞琴, 王建宏, 白培康, 胡保全 申請人:中北大學