[发明专利]一种纳米氧化物颗粒弥散强化铜及其制备方法

说明书

一种纳米氧化物颗粒弥散强化铜及其制备方法，属于金属基复合材料制备领域。首先，采用感应熔炼与熔体雾化技术制备与基体合金熔体润湿性好、比重接近的Zr₄Cu₂O氧化物粉体，氧化物粉体大小可控制在5～100μm。然后，根据目标ODS‑Cu的性能与组织设计需要，选择特定颗粒尺寸和重量分数的Zr₄Cu₂O氧化物粉体，将其与基体铜组元金属一起作为原料，配置目标合金。最后，采用感应熔炼技术熔铸制备公斤级ODS‑Cu材料。本发明制备过程中能够避免熔炼时氧化物粉末的漂浮与偏聚，基于此能够成功实现组织均匀性良好的公斤级ODS‑Cu的熔铸法制备。制备条件不苛刻、原料与制备成本低、重复性好，且氧化物颗粒增强体的大小与含量可有效调控；全部工艺流程简单、高效、可控，易实现规模化生产。

技术领域

本发明属于金属基复合材料制备领域，涉及一种Zr₄Cu₂O三元过渡金属氧化物纳米颗粒弥散强化铜及其熔铸制备方法。

背景技术

DS-Cu是由氧化物、氮化物、碳化物或硼化物等强化相粒子弥散分布到铜合金基体上形成的一类铜基复合材料。其具体性能与弥散相的种类及状态(包括尺寸、粒子间距、分布，以及颗粒/基体界面结合等)密切相关。氧化物是DS-Cu合金中常用的强化相粒子，相应的这类合金被称为ODS-Cu。目前用作ODS-Cu增强相主要是二元金属氧化物Al₂O₃、ZrO₂和Y₂O₃等，ODS-Cu合金具有高强度、高导电率和优良的抗高温软化和蠕变性能，具有广泛的工业化应用前景。

高质量规模化制备是当前ODS-Cu材料实用化进程中必须解决的重要课题。熔铸法具有操作简单、高效、易实现规模化等特点，为此人们一直试图通过熔铸法来实现ODS-Cu的规模制备，但进展甚微。其中的主要原因是：Al₂O₃、ZrO₂、Y₂O₃等二元氧化物与Cu熔体间几乎不润湿，比重差别大，熔炼时氧化物颗粒必然发生偏聚与上浮，造成ODS-Cu的组织控制困难，难以得到氧化物弥散分布的均匀组织。最近，人们通过Cu-Zr、Cu-Y等非晶合金的氧化，有效解决了氧源添加物与基体合金熔体间的比重与润湿性问题，进而成功实施了ODS-Cu的熔铸法制备(专利CN110129609A与CN110499480A)。这表明ODS-Cu熔铸法制备的可行性。但是，这种技术必须先通过甩带快淬技术获得无氧非晶合金条带(制备条件和原料要求苛刻)，然后将它置于氧气氛中，在一定温度下保温氧化，获取含氧或氧化物的非晶合金带材。其生成主要由非晶中氧的固态扩散主导，存在效率低和氧引入量有限等不足。同时，非晶合金的氧由带材表面向内扩散、化合，在垂直带材表面方向上必然存在氧浓度梯度，这将造成非晶材料中氧或氧化物的含量与分布不均等问题。这些不足都将影响ODS-Cu的熔铸法制备效果与效率，不利于ODS-Cu规模化生产。

发明内容

本发明要解决的问题是：克服目前ODS-Cu熔铸法制备过程中还存在的：(1)条带非晶制备过程所需的原料和制备条件苛刻等(例如高纯原料与高真空要求)；(2)非晶条带氧化周期长、氧含量低、氧分布不均匀；以及(3)整个制备过程工序多、影响因素多和生产效率低，难以实现规模化生产等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种纳米氧化物颗粒弥散强化铜，所述材料的组织特征是铜合金基体上均匀、弥散分布着不同数目密度的纳米氧化物粒子，这里的氧化物是一种与铜基体熔体间存在良好润湿性的三元过渡金属氧化物Zr₄Cu₂O，且密度也与基体熔体相近，以有效避免比重偏析与氧化物粒子偏聚。复合材料中氧化物的粒子大小和数目密度可通过制备工艺和成分调节。粒子大小可在10-100nm之间调控，当氧化物颗粒大小一定时，其数目密度则对应于氧化物在复合材料中的重量分数，含量取值区间为0.2～5wt.％。