喷射沉积技术及其在高强度高导电铜合金中的应用03

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1、中南大学材料科学与工程学院材料制备新技术作业第9页共9页喷射沉积技术及其在高强度高导电性铜合金中的应用引言铜，呈紫红色光泽的金属，密度8.92克/厘米3。熔点1083.4±0.2℃，沸点2567℃。常见化合价+1和+2（3价铜仅在少数不稳定的化合物中出现）。电离能7.726电子伏特。铜是人类发现最早的金属之一，也是最好的纯金属之一，稍硬、极坚韧、耐磨损。还有很好的延展性。铜和它的一些合金有较好的耐腐蚀能力，在干燥的空气里很稳定。但在潮湿的空气里在其表面可以生成一层绿色的碱式碳酸铜，这叫铜绿。可溶于硝酸和热浓硫酸，略溶于盐酸。容易被碱侵蚀。铜的最大特点是具有高导

2、电性和高导热性，但是纯铜强度偏低，在不损失导电性的情况下，提高铜合金强度并不容易，往往要以损失电导率为代价。如何在大幅度提高铜的强度的同时，尽量保持铜的高导电性，即实现铜的高强高导是现代铜加工业发展的重要课题。所谓高强高导铜合金，一般是指抗拉强度（σb）为铜的2～10倍（350～2000MPa），导电率为铜的50%～95%的铜合金。国际上公认的理想指标为σb=600～800MPa，导电性≥80%IACS。高强高导铜合金主要应用领域是电子信息产业超大规模集成电路引线框架[1]，国防军工用电子对抗、雷达、大功率军用微波管[2]，高脉冲磁场导体[3]，核装备和运载火

3、箭[4]，高速轨道交通用架空导线[5]，300～1250kw大功率调频调速异步牵引电动机导条、端环[6]，汽车工业用电阻焊电极[7],[8]，冶金工业用连铸机结晶器[9]，电真空器件，电器工程用开关、触桥等[10],[11]，因此这类材料在众多高新技术领域有着广阔的应用前景。高强高导铜合金是一类具有优良综合物理性能和力学性能的功能材料。它不但具有高的强度和良好的塑性，而且继承了紫铜优良的导电性能，是制备大型集成电路引线框架$电车及电力火车架空导线等的优良材料。我们知道铜合金的强度和导电率之间有着此消彼长的关系即：采用某种手段使铜合金得到强化后，其导电率必然有某

4、种程度的下降。因此，如何根据不同应用环境的要求选择合适的强化方式解决两者之间的矛盾成为此类铜合金研究开发的关键。1喷射沉积技术喷射沉积是近30年发展起来的利用快速凝固方法直接制备金属材料坯料或半成品的一种先进的成形技术，主要由熔融金属的气体雾化、雾化熔滴的沉积等连续过程组成。喷射成形包括如下工艺。①喷射轧制：喷射沉积形成连续的带材产品，随后进行热轧或冷轧。②喷射锻造：目的在于生产供热锻用的喷射铸造预型坯，或者在喷射铸造中空坯后挤压。③离心喷射沉积：焙融金属被离心雾化，沉积在冷衬底上，由衬底上可取下形成的大管子。④喷射涂层：涂层结合在衬底上，同时喷射喷丸，可制得

5、全致密热加工的无应力沉积物。第9页共9页喷射沉积的基本原理是：熔融金属经导流管流出，被雾化喷嘴出口的高速气流破碎，雾化为细小弥散的熔滴射流；雾化熔滴射流在高速气流动量作用下加速，并与气流进行强烈的热交换；到达沉积表面前，小于某一临界尺寸的熔滴凝固成为固体颗粒，较大尺寸的仍然为液态而中间尺寸的熔滴则为含有一定比例液相的半凝固颗粒；这些大大小小凝固程度不同的熔滴高速撞击沉积表面并在沉积表面附着、铺展、堆积、熔合形成一个薄的半液态层后顺序凝固结晶，逐步沉积生长成为一个大块致密的金属实体——沉积坯。概括来说，喷射沉积技术实际上是通过两个过程完成的。第一步是采用喷射技术

6、将合金液雾化成细小的液滴。这些液滴在飞行过程中散热，获得一定的过冷度，甚至发生部分凝固。在完成凝固之前在基板上沉积并进一步冷却、凝固，完成第二个过程，即快速凝固过程。对于第一个工艺环节，关键是控制液滴的尺寸和初始速度。为了获得更大的凝固速率，需要获得尽可能小的液滴。同时，液滴应具有尽可能大的速度，增加沉积过程的冲击力，利于提高沉积体的致密度。沉积体的表面应该维持一个具有一定厚度的液膜，保证合金液滴(部分液滴可能已经凝固)能够“嵌入”(见图1)．从而获得均匀的快速凝固组织。1一已凝固的沉体；2完全凝固的颗粒；3一部丹凝固的颗粒；4一液态颗粒；5一音细小结晶核心的

7、液膜图1喷射沉积法沉积体的表面和液滴状态合金液滴沉积后的凝固过程是由基板和沉积体的传热过程控制的。为了获得大的凝固速率，基板应具有大的蓄热系数。然而，随着沉积体厚度的增大，沉积体中的热阻增大，成为传热的控制环节。同时，随着沉积过程的进行，沉积体和基板吸收的合金液滴带来的热量越来越多，温度不断升高，从而导致凝固速率减小。因此，提高冷却速率并保证凝固速率稳定，是喷射沉积技术工艺过程控制的关键。对此可采取的工艺措施是：对基板和沉积体采取必要的冷却措施；控制沉积速度。喷射成形受重视的主要原因是：能够制造大型薄壁零件和获得连续带材，可得到细晶粒和性能优异的材质，节约能源

8、，降低成本。2.高强高导铜合金的研究现