[发明专利]反应熔滴沉积装置及用其制备弥散强化铜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及反应熔滴沉积装置及用其制备弥散强化铜的方法技术领域。

背景技术

弥散强化铜基复合材料，具有高强度、高导电和导热性以及良好的抗电弧侵蚀性、抗磨性能，是制备电阻焊电极、电气工程开关触桥川、发电机用集电环、电动工具换向器、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架川、高速铁路电力机车架空导线芯团、高速列车异步牵引电动机转子等器件的优良材料。（张生龙，尹志民，高强高导铜合金设计思路及其应用，材料导报，2003,11）。

弥散强化铜的强化相主要有Al₂O₃、Y₂O₃、TiB₂等，制备方法有复合铸造法、液相混合原位反应法、内氧化法、反应喷射沉积等等。复合铸造法难以获得弥散分布的纳米颗粒，而内氧化法等涉及到粉末冶金的工艺过程复杂，并且残留的孔隙难以消除，影响材料的性能。

申请号为201210358786.5的发明申请（公开号CN102994798A），发明了一种稀土氧化物弥散强化铜的制备方法，采用液相原位反应的方法可以在铜基体上得到高体积分数的弥散纳米Y₂O₃粒子，所制备的复合材料具有高电导率和高的高温强度。但是，由于这种方法需要借助氧原子在先凝固固相中的扩散以增加固相的厚度，所以锭材的尺寸受到限制。

反应喷射沉积是在液相反应和喷射沉积工艺基础上发展起来的复合材料制备技术，金属液流被雾化成液滴，借助于液滴与雾化气体之间的化学反应生成增强相陶瓷粒子。例如制备Al₂O₃/Cu的工艺过程：利用含氧的高压氮气将Cu-Al合金雾化，将Cu-Al合金雾滴中的Al氧化成Al₂O₃颗粒，进而沉积成Al₂O₃/Cu复合材料，最后将沉积坯挤压成型（刘爱辉等，原位复合法制备高强高导Al₂O₃/Cu复合材料，材料热处理技术，2011,4）。这种方法的雾化过程、液滴的凝固过程和化学反应过程均难以控制。

现有技术的局限性：弥散强化铜的两类制备方法中，直接外加引入法难以获得弥散分布的纳米相；原位自生法的工艺过程复杂，孔隙难以消除。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计的反应沉积装置，通过调节气相成分和压力来控制合金液滴与气相反应，原位形成弥散强化金属基复合材料。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种反应熔滴沉积装置制备弥散强化铜的方法，包括：

a、准备Cu-R合金粉末，其中R为稀土元素、Zr元素或Th元素中的一种或多种组合，R的含量为0.1-10wt%；

b、将Cu-R合金粉末散落在结晶器上并对结晶器加热，使Cu-R合金熔化为合金液，所述结晶器放置在抽真空环境中，并且抽真空环境中充有保护气氛；

c、向抽真空环境中充入保护气氛和氧气的混合气体，并且氧气的含量不超过混合气体总体积的10%，保持一定时间使合金液膜中的R元素氧化；

d、重复b、c，使氧化物弥散强化铜逐层增厚。

步骤b、c中，所述保护气氛为惰性气体、氮气或氢气中的任意一种或多种混合。

步骤b中，结晶器温度为1000～1100℃。

步骤b中，抽真空环境中的压力为<10^-3Pa，并且其中氧分压小于10^-5Pa。

步骤c中，抽真空环境中的保护气氛压力为10^-3～10^-1Pa，并且保护气氛中的氧分压为10^-5～10^-2Pa。

步骤c中，保持时间不超过600秒，使R元素氧化即可。

一种反应熔滴沉积装置，包括真空室、第一气源、第一抽真空系统和装有Cu-R合金粉末的料斗，其中R为稀土元素的一种或多种组合，所述第一气源、第一抽真空系统分别与真空室连通，所述真空室内设有由加热体进行加热的结晶器，所述料斗的底部设有落料装置使料斗中的Cu-R合金粉末落入结晶器上。

所述落料装置包括装粉靴、模腔、布粉器，所述装粉靴与料斗的底部连接，使Cu-R合金粉末可导入装粉靴，装粉靴的下部与模腔连通，装粉靴可回转移动使Cu-R合金粉末进入模腔之中并均匀分布，所述布粉器位于模腔的底部，布粉器移动使模腔中的Cu-R合金粉末落料。