Cu-Al2O3复合材料热压愈合界面组织演变及力学性能研究

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Al2O3弥散强化铜复合材料具有优良的综合物理性能和力学性能,在现代电子、化工、能源等领域具有广阔的应用前景,是目前铜基复合材料的研究热点之一。传统的Al2O3弥散强化铜制备方法存在工艺复杂、技术控制难度大、难以制备大尺寸高品质材料的缺点。金属构筑成形技术以多块小尺寸均质化材料为基元,通过表面处理以及真空环境下的高温形变等过程,获得大尺寸均质化材料。本文利用热压愈合的方法将小尺寸Al2O3弥散强化铜构筑成形,采用了室温拉伸试验、光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射及电子探针等手段对愈合区域进行分析,探究愈合区域的微观组织及力学性能变化,优选制备工艺。对比研究温度、保温时间、压力对热压愈合实验的影响,主要结论如下:(1)在温度970℃,保温时间2h,压力30MPa的条件下,取得了最好的愈合效果。塑性变形量为7.3%,界面愈合比例达到了90.8%,抗拉强度为470MPa,达到原始材料的96.7%。观察该实验参数下的Al2O3弥散强化铜愈合区域微观组织形貌,愈合界面连续性良好,基本不存在缺陷。(2)阐明了Al2O3弥散强化铜界面愈合过程。界面的有效愈合伴随着大规模的界面迁移,为愈合界面内部及附近晶粒内部的动态再结晶晶粒形核生长的宏观表现。整个过程可以分为三个阶段。第一个阶段是愈合界面物理接触,基体金属填补缺陷的过程。第二个阶段是原子定向运动的过程。高温高压下金属流动继续填补缺陷,部分区域的基体Cu原子定向移动,开始动态再结晶形核的过程。第三个阶段为界面附近完善愈合,残余缺陷基本消失的过程,主要表现为细小的再结晶晶粒粗化以及后续的动态再结晶晶粒新生。(3)阐明了界面愈合效果与温度、保温时间、压力三者的关系。温度较低、压力较小时,材料的应变梯度及能量梯度较小,也即动态再结晶的驱动力较小,动态再结晶愈合缺陷速度较慢,保温时间是影响界面愈合的主要因素。而温度较高、压力较大时,材料的动态应变梯度及能量梯度较大,也即动态再结晶的驱动力较大,动态再结晶愈合缺陷的速度较快,可以在较短的时间内取得良好的界面愈合效果。当界面缺陷基本消失后,继续升高温度、增大压力也难以继续提升愈合界面性能,反而会使材料的塑性变形急剧增大。
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