郭峰，張波，王彤彤

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

近年來(lái)高溫高導(dǎo)銅合金的研究和發(fā)展受到廣泛關(guān)注，其中高性能彌散強(qiáng)化銅合金憑借其優(yōu)良的加工性能，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。彌散強(qiáng)化銅合金又稱(chēng)氧化鋁銅（Cu-Al2O3），是一種具有優(yōu)良綜合物理性能和力學(xué)性能的銅合金材料，其中氧化鋁顆粒的尺寸為3～12 nm。此類(lèi)合金因其具有高導(dǎo)電、高強(qiáng)度及良好的物理性能和熱穩(wěn)定性，在高溫高導(dǎo)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)工藝也是國(guó)內(nèi)外銅合金材料的研究熱點(diǎn)之一。

1 性能特性

彌散強(qiáng)化銅合金是將納米級(jí)氧化物Al2O3加入銅基體并形成彌散相而得到的[1]。該合金既具有銅的高導(dǎo)電率及高軟化溫度等特性，又具有彌散強(qiáng)化后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高，組織穩(wěn)定，無(wú)相變，熱電傳導(dǎo)率高；高溫抗蠕變性能好，常溫狀態(tài)下硬度高且硬度隨溫度變化的幅度較小，加工性能優(yōu)良；硬度高，洛氏硬度超過(guò)HRB84；導(dǎo)電率高，達(dá)85%IACS；軟化溫度略低于鎢銅，但也高達(dá)930℃。彌散強(qiáng)化銅合金的產(chǎn)品性能指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1 產(chǎn)品性能指標(biāo)

彌散強(qiáng)化銅具有銅合金的導(dǎo)熱性和可與多種鋼相匹配的強(qiáng)度，因此其冷加工性能也很高。通過(guò)調(diào)整彌散強(qiáng)化銅中氧化鋁的含量，還可以擴(kuò)寬彌散強(qiáng)化銅的性能范圍[2]。同時(shí)，彌散強(qiáng)化銅合金的疲勞比（耐久極限／抗拉強(qiáng)度）高[3]，疲勞強(qiáng)度極好，加上其具有優(yōu)異的抗高溫軟化性能，使其退火后仍能保有大部分屈服強(qiáng)度。

基于上述優(yōu)良性能，彌散強(qiáng)化銅合金可以在不減小結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下增大載流容量和散熱能力，從而達(dá)到縮減零部件尺寸的目的。彌散強(qiáng)化銅合金性能與無(wú)氧銅性能的對(duì)比詳見(jiàn)表2。

表2 彌散強(qiáng)化銅合金與無(wú)氧銅性能對(duì)比（20℃狀態(tài)下）

2 生產(chǎn)工藝

常見(jiàn)的彌散強(qiáng)化銅合金生產(chǎn)制備工藝有內(nèi)氧化法、機(jī)械合金化、化學(xué)沉淀法、共沉積法、液相合金混合原位反應(yīng)法等[4]。根據(jù)彌散相（Al2O3）加入到銅基體中的方法不同，可將其生產(chǎn)工藝分為非原位合成制備法和原位合成制備法。原位合成制備法是指通過(guò)鋁與氧的化學(xué)反應(yīng)在銅基體內(nèi)生成Al2O3彌散相；非原位合成制備法則是直接添加強(qiáng)化相。由于原位合成制備法的鋁與氧的化學(xué)反應(yīng)是在銅基體內(nèi)生成，彌散相對(duì)銅合金基體具有強(qiáng)化作用，因此這種方式添加的強(qiáng)化相粒子細(xì)小且分布均勻，Cu和Al2O3接觸面較清晰，所得到的合金組織比采用非原位合成制備法獲得的合金組織具有更加優(yōu)良的力學(xué)和導(dǎo)電性能。目前，國(guó)內(nèi)外廠家主要使用原位合成法對(duì)彌散強(qiáng)化銅合金進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)[5]。原位合成法可分為內(nèi)氧化法、球磨制備法、混合合金法、反應(yīng)噴射沉積法。

2.1 內(nèi)氧化法

內(nèi)氧化法是目前工業(yè)生產(chǎn)中制備氧化物彌散強(qiáng)化銅合金最常用的方法，又分為霧化法、壓埋法、流動(dòng)氣氛氧化法和真空內(nèi)氧化法等，其中霧化法應(yīng)用最為廣泛。其主要的工藝流程為：銅鋁合金熔煉→霧化制粉→破碎分篩→氧源制備→混料→熱等靜壓→機(jī)械加工→檢測(cè)→成品包裝。它具有工藝流程短、勞動(dòng)強(qiáng)度低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在Al2O3對(duì)基體銅粉的燒結(jié)存在較大的阻礙作用、生產(chǎn)成本較高、產(chǎn)品質(zhì)量難以控制等問(wèn)題。因此，此類(lèi)工藝的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于提供氧原和控制反應(yīng)過(guò)程。目前，各科研機(jī)構(gòu)和高校正在改進(jìn)生產(chǎn)工藝并進(jìn)行工業(yè)化推廣。

2.2 球磨制備法

球磨制備法是指在球磨過(guò)程中金屬或合金粉末與其他單質(zhì)或化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終形成產(chǎn)品的工藝方法。該工藝流程為：霧化制粉→球磨→等靜壓→燒結(jié)→擠壓。該法通過(guò)機(jī)械活化與熱激活化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的方式制備彌散強(qiáng)化銅材料，替代了原本單純依靠球磨過(guò)程實(shí)現(xiàn)原位合成的方法，有效地減少了能量消耗和反應(yīng)時(shí)間。

球磨制備法的優(yōu)點(diǎn)是：1）銅基體晶粒在球磨過(guò)程中得以細(xì)化，粒度細(xì)小且均勻分散，界面清晰；2）在常溫或低溫環(huán)境中可生成增強(qiáng)相粒子，降低其致密化溫度[6]；3）球磨時(shí)產(chǎn)生的過(guò)飽和固溶體不受熱力學(xué)平衡相圖的制約。但球磨制備法的關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)程控制。若過(guò)程控制不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響合金的性能。

2.3 混合合金法

混合合金法主要是通過(guò)湍流渦旋和射流噴射將兩種或多種金屬液體混合，然后再使其快速冷卻?；旌虾辖鸱ㄖ苽浼夹g(shù)具有先進(jìn)、產(chǎn)品綜合質(zhì)量好、工藝流程短、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。其工藝過(guò)程大致如下：熔煉Cu-B/Cu-Ti合金→混合室發(fā)生微觀混合→快速冷凝，主要的冷凝方法包括霧化、錠坯澆鑄、壓力/離心鑄造、快速凝固和噴射沉積等?；旌虾辖鹧b置示意詳見(jiàn)圖1。

圖1 混合合金法裝置示意

2.4 反應(yīng)噴射沉積法

反應(yīng)噴射沉積法是指利用合金液滴與反應(yīng)氣體、注入的粒子或不同合金液滴間發(fā)生原位化學(xué)反應(yīng)生成彌散強(qiáng)化銅合金。該法克服了強(qiáng)化彌散銅材料在制備過(guò)程復(fù)雜、晶粒大、偏析嚴(yán)重和氧化嚴(yán)重等缺陷，但仍有易導(dǎo)致材料強(qiáng)化相粗化、致密度較低、易反應(yīng)不全而降低材料電導(dǎo)率等缺點(diǎn)[7]。反應(yīng)噴射沉積法裝置示意詳見(jiàn)圖2。

圖2 反應(yīng)噴射沉積法裝置示意

3 彌散強(qiáng)化銅的應(yīng)用

彌散強(qiáng)化銅合金因性能優(yōu)良，在熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆、高速機(jī)車(chē)、特種裝備等高科技領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在電子領(lǐng)域中，彌散強(qiáng)化銅已經(jīng)成為高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金材料的最佳選擇，廣泛用作電子真空器件、插接件、聚熱線圈、晶體管管殼、發(fā)射管、真空開(kāi)關(guān)、輸電線、波導(dǎo)管、筆記本電腦散熱管等[8]。

1）用作繼電器銅片和接插件支座。使用彌散強(qiáng)化銅合金作為繼電器銅片和接插件支座，可以增大繼電器和觸頭支座的可承載的電流值，提高產(chǎn)品的安全性和使用壽命，并可使產(chǎn)品外形尺寸小型化[9]。

2）用作整流子。彌散強(qiáng)化銅材料具有高強(qiáng)度、高耐腐蝕和耐磨性等特點(diǎn)，特別適合用于浸入式燃料泵的整流子和直升機(jī)啟動(dòng)機(jī)馬達(dá)的整流子。

3）用作耐熱材料結(jié)構(gòu)件。由于彌散強(qiáng)化銅材料抗高溫軟化性能優(yōu)異，可用作鑄造機(jī)的側(cè)墻板、模具、滾焊輪等結(jié)構(gòu)件，同時(shí)由于其高溫高導(dǎo)特性，也廣泛應(yīng)用于微波管零件、大電流焊接電纜和電氣接插件等耐熱材料結(jié)構(gòu)件上。

4）用作引線。彌散強(qiáng)化銅合金坯料經(jīng)過(guò)拉絲成型后，可用作燈泡的引線，替代昂貴的支承鉬絲，降低線徑，減少燈絲的熱損失，提高發(fā)光效率。同時(shí)，因其具有良好的高溫強(qiáng)度保持能力，亦可廣泛用作電子分立元件的引線多次嵌入線路板中。

5）用作電阻焊電極。傳統(tǒng)鉻鋯銅電極在焊接過(guò)程中，電極中的鉻、鋯和鍍層中的鋅、鎳等活潑元素易發(fā)生合金化，電極焊接面會(huì)因此黏連和過(guò)早磨損。因此，基于彌散強(qiáng)化銅電極良好的焊接性能[10]，彌散強(qiáng)化銅材料在設(shè)備制造、汽車(chē)、通信及家電等行業(yè)的電阻焊電極應(yīng)用中有望逐步取代鉻鋯銅電極。彌散強(qiáng)化銅電極的壽命是普通Ⅱ類(lèi)鉻—銅電極的4～10倍，同時(shí)由于其高溫高導(dǎo)特性，電極頭部形成蘑菇狀的速率較慢，節(jié)約了大量能源并提高了效率。隨著焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用，彌散強(qiáng)化銅電極的性能優(yōu)勢(shì)越來(lái)越得到體現(xiàn)。

彌散強(qiáng)化銅的工業(yè)生產(chǎn)歷史悠久，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，它已成為電真空器件的關(guān)鍵材料。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，市場(chǎng)出現(xiàn)多種制備的彌散強(qiáng)化銅合金產(chǎn)品的工藝，然而我國(guó)對(duì)這種合金的合成制備技術(shù)研究時(shí)間較短，設(shè)備、工藝、技術(shù)仍不成熟，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線幾乎全部是采用的是內(nèi)氧化工藝。如前所述，該工藝生產(chǎn)成本過(guò)高，阻礙了這一先進(jìn)材料在我國(guó)的大范圍推廣應(yīng)用。但隨著彌散強(qiáng)化銅合金貯備技術(shù)的不斷完善，彌散強(qiáng)化銅合金在我國(guó)將有著廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，彌散強(qiáng)化銅合金（Cu-Al2O3）作為一類(lèi)高性能新型復(fù)合材料正日益受到世界各國(guó)的重視，其生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品性能均已達(dá)到了較高的水平，采用原位合成法制備工藝是主要生產(chǎn)研發(fā)方向。我國(guó)的彌散強(qiáng)化銅合金生產(chǎn)技術(shù)和工藝裝備等相比材料行業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距，所以我國(guó)應(yīng)加大此材料制備工藝的研發(fā)力度。根據(jù)上述分析，筆者認(rèn)為該材料未來(lái)的研究方向應(yīng)是提高工業(yè)化生產(chǎn)效率，縮短工藝流程，降低工業(yè)化生產(chǎn)的成本和進(jìn)一步提升材料性能，開(kāi)辟?gòu)?fù)合材料新的應(yīng)用領(lǐng)域等。同時(shí)，相關(guān)科研院校應(yīng)針對(duì)復(fù)合電沉積法、真空混合鑄造法、XD法加大研發(fā)和工業(yè)化推廣試驗(yàn)，為推動(dòng)銅基復(fù)合材料的發(fā)展添磚加瓦。