【摘 要】
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随着航空航天、电工电子及5G通信等领域飞速发展,对铜材料导电、力学性能提出了更苛刻的需求。TiB2颗粒增强铜基复合材料具备对铜基体导电性能影响较小,有效提升铜基体的强度。有望克服传统铜材料高强度与高导电难以匹配的不足,成为新型导电铜材料研究热点之一。本文基于气雾化TiB2/Cu复合材料粉末,研究热压烧结工艺(烧结温度、烧结压力、保温时间)对TiB2/Cu复合材料烧结致密化过程组织与性能的影响,确定
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(No. 51834009,52127802 和 51974244);
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随着航空航天、电工电子及5G通信等领域飞速发展,对铜材料导电、力学性能提出了更苛刻的需求。TiB2颗粒增强铜基复合材料具备对铜基体导电性能影响较小,有效提升铜基体的强度。有望克服传统铜材料高强度与高导电难以匹配的不足,成为新型导电铜材料研究热点之一。本文基于气雾化TiB2/Cu复合材料粉末,研究热压烧结工艺(烧结温度、烧结压力、保温时间)对TiB2/Cu复合材料烧结致密化过程组织与性能的影响,确定最优烧结工艺。其次,通过形变后处理(热轧+冷轧、热锻+冷轧)对烧结态TiB2/Cu复合材料组织与TiB2颗粒分布进行调控,研究TiB2/Cu复合材料组织性能演化规律,最终制备出组织性能优良的TiB2/Cu复合材料。根据研究结果,得出以下结论:(1)以自制气雾化2wt.%TiB2/Cu复合材料粉末为原料,计算分析了粉末烧结过程中TiB2/Cu复合材料致密度变化规律。当烧结温度为900℃时,复合材料理论烧结密度可达98%以上。在此基础上,通过控制热压烧结工艺参数,最终确定最优烧结工艺为烧结温度980℃、烧结压力40 MPa和保温时间90 min,该工艺制备的复合材料致密度、导电率、硬度和强度分别为99.8%、89.8%IACS、93.8HV5和330MPa。(2)烧结前后TiB2颗粒尺寸细小且弥散分布,颗粒平均尺寸为300 nm左右,分布在基体晶界与晶内,颗粒稳定性较好,有效抑制了TiB2颗粒偏析问题。随着烧结温度的升高,TiB2/Cu复合材料粉末之间发生塑性流动,粉末边界逐渐变窄,改善复合材料粉末表面TiB2颗粒分布状态,促进TiB2/Cu复合材料粉末之间冶金结合。(3)对烧结态TiB2/Cu复合材料进行热轧,硬度为99.5 HV5,导电率保持不变。之后继续冷轧90%,轧制态TiB2/Cu复合材料的硬度、导电率和抗拉强度分别为155HV5、85.24%IACS和536.5 MPa。增强相颗粒沿轧制方向分布,TiB2颗粒间距减小,远离TiB2颗粒的晶粒被拉长,晶粒细化。材料力学性能的提升主要归因于形变强化、第二相强化和细晶强化的综合作用。(4)对烧结态TiB2/Cu复合材料进行热锻,TiB2颗粒尺寸细小、弥散分布,平均颗粒尺寸由烧结态295 nm减小到248 nm。硬度为108 HV5,导电率为87.5%IACS。之后继续冷轧90%,轧制态TiB2/Cu复合材料的硬度和导电率分别为161 HV5和84.5%IACS,强度达到552 MPa,较烧结态提升了 67%。通过对复合材料断口形貌分析,裂纹优先在基体与TiB2增强相颗粒界面处萌生,并沿着界面扩展,最终与铜基体发生脱粘,多个界面裂纹扩展汇合,使复合材料发生断裂。
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