[发明专利]一种纳米铜钽均质复合材料的制备方法及获得的复合材料

说明书

本发明涉及一种纳米铜钽均质复合材料的制备方法及获得的复合材料，属于金属材料技术领域。所述制备方法包括以下步骤：分别切割铜和钽棒材为片状试样，将铜和钽的片状试样叠放于高压扭转机模具中，加压、扭转获得具有纳米组织的铜钽均质复合材料。通过简单的高压扭转，在低扭转转速下可使不互溶的铜和钽元素在材料中均匀、弥散分布，获得的复合材料的纳米组织晶粒度小于100nm。

技术领域

本发明涉及一种纳米铜钽均质复合材料的制备方法及获得的复合材料，具体涉及块体材料纳米化及不互溶组元的均质复合化，属于金属材料技术领域。

背景技术

铜钽合金是近年发展起来的一种重要的结构和功能材料，其因具有高强度、抗辐射、不起泡、高吸震性能而被认为是非常有前途的军事、核电用材料。但是铜和钽是两种在任何温度都不互溶的金属元素，因此常规的熔炼方法无法得到均匀的铜钽合金。现有技术多采用高能球磨法制备铜钽合金，如柳林(柳林,正混合热体系的机械驱动非晶化.中国有色金属学报,1994(1):50-53)研究的通过高能球磨可以获得均匀非晶态的铜钽合金，但是钽含量限定在50-90％之间才能获得单一的非晶相，且获得的材料为微米级结构，结构内部具有微孔隙，容易混入氧化物，材料性能无法满足需要。

通常材料的内部微观结构决定了材料外在的宏观性能，根据霍尔-佩奇公式，材料的晶粒越细小，材料的屈服强度越高，且不降低材料的韧性。另外晶粒细小的金属材料，一般来说，力学性能、电、磁、热学等性能就更佳，因此，纳米材料具有其他材料无法比拟的优势。中国专利(公开号CN 110144485A)采用磁控溅射法在硅基体上沉积获得了纳米结构的Cu-Ta合金，但只有Ta含量在1-35％之间，合金才具有晶体结构且晶粒为细小柱状纳米晶，且获得的Cu-Ta合金厚度为微米级，仅适用于微纳器件，且Cu-Ta合金只能在硅基体上形成，极大地限制了合金的应用领域。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种简单的纳米铜钽复合材料的制备方法，通过高压扭转机的剧烈塑性变形使得不互溶的铜和钽元素在材料中均匀、弥散分布，获得的复合材料具有显著的晶粒细化组织，且晶粒稳定。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种纳米铜钽均质复合材料的制备方法，包括以下步骤：

分别切割铜和钽棒材为片状试样，将铜和钽的片状试样叠放于高压扭转机模具中，加压、扭转获得具有纳米组织的铜钽均质复合材料。

现阶段，由于铜与钽金属自身的性质差异，很难通过常规工艺完美的使得铜与钽合金化，本发明将铜和钽金属通过简单的机械加工，加工成所需尺寸的铜片和钽片，将其装入高压扭转机的模具中，所述高压扭转工艺为压缩和扭转同时进行，在选好一定工艺参数条件下变摩擦阻力为摩擦动力，从而既实现了一定的扭转变形，又实现了简单压缩变形，且压缩变形过程中不易失稳，可以获得比较大的应变量。因此，通过高压扭转方法在高压力下可产生剧烈塑性变形，使得铜和钽元素弥散分布，晶粒并呈纳米尺寸。

普通的纳米晶粒因其存在的高晶界体积分数会造成内部不稳定，在常温下也可能自发的向粗晶转变。而本发明采用的铜和钽为固态不溶元素，不溶元素会分布于晶界，从而会减小自由能，并且减缓晶粒生长，不溶元素还能在晶界起着钉扎的作用。因此通过高压扭转获得的铜钽合金体系，其晶粒纳米尺寸稳定存在。

作为优选，选用的铜和钽棒材的直径为10-20mm；进一步优选，铜和钽棒材的直径相同；如此，切割形成的铜和钽的片状试样具有相同的直径，加压扭转过程中才能形成均匀组织，避免复合材料周边为单一元素。

切割的铜和钽的片状试样厚度为0.2-2mm，厚度太大，不利于铜钽元素的弥散分布。铜和钽的片状试样的厚度可在上述范围内随意选择，不同厚度会形成不同配比的铜钽复合材料。

切割后的铜和钽片状试样在高压扭转前，可以进行简单的抛光、去除油污和氧化皮处理，使得片状试样表面光滑无杂质，形成的合金复合材料物相均一，性能较好。