氧化铝增强铜基复合材料机械合金化粉末的制备

时间：2024-07-28

张树才,郭志俊,高云,李爱民

（中国兵器工业第五二研究所烟台分所,山东烟台 264003）

0 前言

Cu-A l2O3合金粉末是制备弥散强化铜基复合材料的关键原料。合金粉末的弥散分布均匀性、合金化程度直接决定了弥散强化铜基复合材料的性能。机械合金化是制备弥散粉末成本较低、工艺简单的一种方法。自从 20世纪 70年代初国际镍公司研究与发展试验室 Benjam in使用机械合金化工艺制取氧化物弥散强化超合金取得了较好的效果,机械合金化迅速发展起来。

目前机械合金化可用于各种新材料的研究和制备领域,是制备金属陶瓷复合材料粉末的一种十分有效的方法。氧化铝粉末在铜粉中的润湿性差,2种粉末间几乎不溶解。机械合金化球磨时脆性组元氧化铝首先破碎,延性组元铜粉发生变形,细小的氧化铝粒子处于延性铜粉末之间；同时铜金属由于变形而硬化,在随后的球磨过程中发生断裂,无论是硬的氧化铝粒子还是延性的金属,其粒子尺寸不断减小,最后形成脆性粒子弥散均匀分布于延性金属基体之中。

本文对氧化铝增强铜基复合材料机械合金化工艺进行了研究,用高能球磨机进行球磨,试验球磨机转速、球料比、球磨的时间等参数,将球磨后的粉末进行压坯、烧结,金相观察烧结后样品中陶瓷粉末的弥散分布均匀性。

1 试验方法

材料采用电解铜粉：粒度 ≤50μm,纯度 ≥99.99％；氧化铝粉末：粒度 ≤1μm,纯度大于99.98％。设备采用自制的专用球磨机；选择φ10 mm、φ12 mm 2种直径的不锈钢球来进行搭配,个数比为20∶80,球料比为 5∶1。将铜粉和氧化铝粉按质量比配成 Cu-0.3％A l2O3混合粉末,放入球磨罐中球磨。为了避免粉末在球磨过程中过热而氧化,采用湿磨的方法,冷却方式为水冷。

分别对转速、球磨时间参数进行试验研究,分析混合后粉末的均匀度及分散性,用 Neopht-2光学显微镜观察机械合金化后粉末分散的均匀度。

样品制备的简单工艺流程图见图 1。

2 结果及讨论

机械合金化的转速试验了290 r/m in、360 r/m in,球磨时间试验了 2～15 h。

将一定比例的铜粉末及氧化铝粉末放入转筒内,加入一定量的磨球和适量酒精,球磨2～15 h,球磨后将粉末烘干,烧结,在金相显微镜下观察粉末混合的均匀度,评定混合均匀度以确定混料参数。在评定过程中应用了 5分打分制来评定,其中的结果是 4人评定结果的平均值。不同机械合金化工艺混合后粉末的均匀度结果见表 1。

图1 样品制备的简单工艺流程图

表1 不同机械合金化工艺混合后粉末的均匀度

根据表 1的实验结果,可以做出图 2。

图2 不同转速时不同球磨时间粉料的混合均匀度

从图 2中可以看出高能球磨机转速 290 r/m in时,粉末混合的均匀度劣于高能球磨机转速360 r/m in时粉末的混匀度。在转速为 360 r/m in时,球磨时间为 7 h,粉料的混合均匀度最好。选定转速360 r/m in、球料比 5∶1、球磨时间为 7 h的机械合金化粉末进行烧结。烧结后对样品进行金相观察,金相照片见图3。

图3 机械合金化后粉末烧结的金相照片

由图 3可以看出,在铜的基体上均匀分布A l2O3颗粒,由于A l2O3粉末的颗粒尺寸要比 Cu粉末的尺寸小得多,在与铜机械合金化的过程中A l2O3形成弥散强化相。A l2O3弥散强化相在 Cu基体中均匀分布,可在后期的烧结、挤压、加工过程中提高材料的强度、硬度和软化点。