[发明专利]一种制备高强度铜铝合金的方法

说明书

本发明公开了一种制备高强度铜铝合金的方法，该方法是在磁控溅射过程中，采用慢速率沉积工艺，制备Cu/Al多层膜，采用真空退火工艺，通过控制退火温度，使得多层膜内部引入铜铝合金。通过这种工艺制备的铜铝合金屈服强度峰值达到了3Gpa，远高于由其他种类的铜铝合金。本发明制备的铜铝合金由于受到多层膜层界面的限制，尺寸小，并且可以通过调节退火温度来控制合金相的晶粒尺寸，从而控制力学性能，来达到高强度的目的。

技术领域

本发明属于复合材料材料制备领域，具体涉及一种强化铜铝合金的制备方法。

背景技术

复合材料由于其材料中存在多种元素，因此可以具有不同元素的特性，具备了不同元素的特性后，扩大了材料的性能和使用范围。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用，主要作为受力结构部件而存在，那么对于铝合金的强化就变得尤为重要。铜铝合金是工程上铝合金强化的重要手段。

目前，通过传统时效析出强化得到的铜铝合金尺寸很大，塑性差。因此对铜铝合金的强化主要着重于通过降低晶粒尺寸来得到。主要方法有严酷塑性变形和快速凝固两种。但是严酷塑性变形的方法往往会使合金内含有大量的缺陷使得合金结构失效；快速凝固的方法需要很大的温度梯度，对设备要求很高，应用受到阻碍。因此通过进一步减小合金晶粒尺寸来强化铜铝合金的方法遇到了一个瓶颈。在此基础上，由于强化机制与晶粒尺寸紧密相关，那么把铜铝合金与小尺寸晶粒相关的技术联系起来，即纳米金属多层膜，从而进一步减小晶粒尺寸，达到强化的目的。

纳米金属多层膜由于内部大量界面的存在，并且单层厚度均在纳米级，一般认为单层厚度即为晶粒尺寸。并且纳米金属多层膜一般具有非常高的强度和硬度,可达理论强度的三分之一到二分之一,从而在微电子和微机械的高新技术领域具有广泛的应用背景。一般认为多层膜的强度来自小尺寸效应和界面效应。特别是多层膜中存在大量的异质界面,这些界面被认为是多层膜强度的重要来源。纳米金属多层膜的晶粒尺寸和强度的特征均符合铜铝合金强化的条件，那么如何将铜铝合金引入铜铝合金引入多层膜就成为关键技术。由于铜和铝两者混合焓为负，那么铜铝多层膜界面处就会产生互混，生成铜铝合金。有研究表明，当铜铝多层膜单层厚度低至为1nm时，界面处产生合金，硬度达到7.8Gpa。但当单层厚度增加，界面处基本无合金相的产生，主要由于界面处铜和铝原子的接触程度小，互混程度就少。因此引入热处理退火工艺来加剧界面处的互混，从而保证在大范围层厚的多层膜中引入铜铝合金，从而将此制备优化铜铝合金的方法的应用范围扩大，降低成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种强化铜铝合金的制备方法，其制备的铜铝合金晶粒尺寸在纳米级别，可以通过调解退火温度来自主控制铜铝合金晶粒尺寸的大小；并且合金内部无大量缺陷的存在，保证合金结构的完整性，从而为铜铝合金的强化打下了坚实的基础。

本发明的目的是通过一下技术方案来实现的：

这种制备高强度铜铝合金的方法，在磁控溅射过程中，采用慢速率沉积工艺，制备Cu/Al多层膜；对多层膜采用真空退火工艺，使得多层膜中引入铜铝合金，并通过退火温度参数的调节，从而得到高强度的铜铝合金。

进一步的，以上方法具体包括以下步骤：

1)将单面抛光单晶硅基片分别用酒精和丙酮超声清洗,经电吹风吹干后,放入超高真空磁控溅射设备基片台上,准备镀膜；

2)将需要溅射的单质金属靶材(铜靶和铝靶)安置在靶材座上,通过调整电源的功率控制靶的溅射速率；采用高纯氩气作为主要离化气体,保证有效的辉光放电过程；

3)硅片溅射沉积时，采用直流和射频电源分别连接对应的靶材溅射过程中，先在硅基体上用射频电源镀一层铜层，以这层铜层作为铝层生长的模板，然后交替沉积铝层和铜层形成多层膜，最终达到所需的特征厚度和层数；