銅基復(fù)合材料研究

摘要：介紹了熱處理對材料組織和性能的影響及選擇熱處理工藝的依據(jù)，分析了熱處理前后Cu/Ti3AlC2復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)變化，對熱處理后的性能進(jìn)行了密度、電阻率、強(qiáng)度、斷裂韌性的測試，比較分析了測試結(jié)果。

關(guān)鍵詞：熱處理 Cu/Ti3AlC2復(fù)合材料 組織 性能

0 引言

熱壓燒結(jié)制備的Cu體積含量分別為20%~60%的Cu/Ti3AlC2復(fù)合材料具有高的抗彎強(qiáng)度，良好的斷裂韌性和優(yōu)良的導(dǎo)電性。30(vol.%)Cu/Ti3AlC2是其中最具代表性的一種化合物，本文對30Cu/Ti3AlC2的性能進(jìn)行了更深一步的研究。

1 實(shí)驗(yàn)過程

把材料加熱到接近共晶體熔點(diǎn)的溫度，并保溫足夠長的時間使強(qiáng)化元素最大限度的溶解，并隨后快速冷卻，形成過飽和固溶體，該過程稱為固溶處理。影響固溶處理性能的因素主要有：固溶處理溫度、保溫時間及冷卻速度。為了達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)選擇熱處理工藝，在保證冷卻速度一致的前提下調(diào)整固溶溫度和固溶時間兩個工藝參數(shù)，研究這兩個參數(shù)對固溶強(qiáng)化作用的影響規(guī)律。

由銅鋁二元合金的相圖(圖1)可知，在一定溫度下Al可以無限固溶于Cu中形成Cu-Al的液相合金，但隨著溫度的降低，不同組成區(qū)域，Cu、Al將有不同的轉(zhuǎn)換形式。在相圖中靠近Cu側(cè)，無論Cu-Al系統(tǒng)在整個降溫過程中發(fā)生怎樣的相態(tài)變化，在室溫下，總體可分為兩種類型：①Al含量在9.4wt.%以下的鋁青銅，是具有單相α的固溶體相；(②Al含量在9.4wt.%以上的銅鋁間化合物是多相混合物。由此推斷，初始Ti3AlC2的體積含量對最終Cu-Al的存在相態(tài)起決定作用，影響Cu/Ti3AlC2的物相、顯微結(jié)構(gòu)及性能。

在Cu與Ti3AlC2的反應(yīng)過程中，由于Al與Cu發(fā)生了相互擴(kuò)散和溶解，因此可將其簡化為一種Cu-Al二元體系，Al的溶出量與初始Cu量的相對比值將決定反應(yīng)體系最終的相組成。假設(shè)Cu/Ti3AlC2塊體中的銅與鋁全部溶出，可求得Cu-Ti3AlC2體系中Ti3AlC2體積百分比與折合成相同Al含量的Cu-Al體系中Cu-Al相對含量的對應(yīng)關(guān)系。Cu9Al4的熔點(diǎn)是1030℃，所以，我們對30Cu/Ti3AlC2選擇的固溶溫度目的是消除或減少Cu9Al4相。具體實(shí)驗(yàn)條件見表1。

2 結(jié)果與討論

圖2為30Cu/Ti3AlC2塊體熱處理前后的X射線衍射對比圖。可以看出，30Cu/Ti3AlC2塊體熱處理后各峰的峰值較高。在600℃、保溫8小時條件下，Cu(Al)合金峰值升高，Cu9Al4峰值減少；在950℃、保溫8小時條件下，Cu(Al)合金峰值最高，此時的Cu9Al4峰值最低；在1050℃、保溫8小時條件下，Cu(Al)合金峰值升高，但Cu9Al4峰值也升高很多?？梢酝茢嘟饘匍g化合物Cu9Al4的含量變化將很大程度上影響材料性能的變化。

表2為熱處理后測試的30Cu/Ti3AlC2的性能的平均值，圖3為30Cu/Ti3AlC2的斷口形貌照片。從表2看出，熱處理前30Cu/Ti3AlC2的彎曲強(qiáng)度較高，達(dá)到最大值1012.76MPa，隨著熱處理溫度的升高，強(qiáng)度值先降低再升高再降低。可以看出，30Cu/Ti3AlC2的斷口齊平而光亮，斷口上出現(xiàn)很多小的片狀晶粒，還有部分未反應(yīng)完的Ti3AlC2板狀晶粒，且溫度越高，片層狀晶粒越大。

隨著熱處理溫度的升高，材料的密度、斷裂韌性也隨之升高，并在950℃、保溫8小時達(dá)到韌性最大值9.06 MPa·m1/2，溫度再升高，材料出現(xiàn)過燒斷裂韌性下降。

隨著熱處理溫度的升高，材料的電阻率隨之降低，并在950℃、保溫8小時達(dá)到最大值0.28μΩ·m。

3 結(jié)論

熱處理對30Cu/Ti3AlC2的性能改善比較明顯。隨著熱處理溫度的逐漸升高，材料的密度、電阻率、斷裂韌性等性能也逐步提高，但超過某個溫度范圍后，表現(xiàn)出過燒的特征，材料的物理性能迅速下降。30Cu/Ti3AlC2經(jīng)過950℃、保溫8小時的熱處理后，雖然材料的強(qiáng)度略有下降，但電阻率及斷裂韌性大大提高，說明在950℃、保溫8小時范圍內(nèi)的熱處理使合金元素充分固溶，改善了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了材料的綜合性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王奕，Cu/Ti3Al1.2-xSnxC1.9(X=0，0.2，0.4)復(fù)合材料的制備與性能研究，北京交通大學(xué)碩士論文.

[2]Zwickau E C and Freiberg U T.Possibilities for the Al-Cu lation heat treatment diagrams for industrial Al-Zn-Mg-Cu alloys.Aluminum，1999(75):90-96.

[3]周美玲，謝建新，朱寶泉.《材料工程基礎(chǔ)》.