SiC颗粒表面金属化工艺及其对铜基复合材料性能影响的研究

摘要

SiC颗粒增强铜基复合材料改善了铜合金的强度、摩擦磨损性能以及高温抗蠕变性能，满足在高强度、高硬度坏境中的应用需要，因而具有广阔的应用前景。 本课题主要围绕以SiC颗粒作为增强相，粉末冶金法制备铜基复合材料的加工过程，主要探究SiC颗粒表面金属化工艺、基体粉的机械球磨制备工艺，以及放电等离子体烧结(SPS)工艺等。讨论了SiC颗粒表面化学镀镍和铜的工艺及微观组织、机械球磨铜粉的微观形貌与球磨工艺的关系、以及粉体及烧结工艺对SPS制备块体复合材料的致密度、相组织、硬度等影响。在此基础上，进一步讨论了SPS烧结制备SiC颗粒表面金属化处理前后对铜基复合材料物理和力学性能的影响。 实验结果表明，可通过化学镀的方法使SiC颗粒表面金属化，当化学镀液中[Ni2+]浓度为0.25mol/L、[NH4+]浓度为0.6mol/L、[Ni2+]/[H2PO2-]浓度之比为0.4、柠檬酸浓度为0.1mol/L、乳酸为1mL/L、硫脲为1mg/L以及pH为10，温度为45℃时，SiC颗粒化学镀Ni效果最优，活化敏化过程有助于Ni的包覆；当化学镀液的组成为：甲醛为15mL/L、CuSO4·5H2O为20g/L、一水合柠檬酸钠为44g/L、硫脲为1mg/L，以及pH为12.5，温度为65℃时，SiC颗粒化学镀Cu效果最优，镀前需使用Ag离子进行活化处理。其中镀液中SiC颗粒加入量为20g/L。 采用机械球磨铜粉时发现，铜粉随球磨时间的推进在不同球料比下微观形貌变化较为一致，并且机械球磨会导致铜粉SPS烧结体的致密度下降以及晶粒尺寸减小。在一定的烧结温度范围内，SPS的烧结温度越高，粉体的扩散迁移速率提高，烧结体的致密度越高，但由于球磨带来的应力减少，维氏硬度在不断减少；烧结压力的提高，有利于烧结体中的气孔封闭或排出，从而有利于试样的致密化；延长烧结时间烧结体的致密度提高，但过长的烧结时间导致烧结样过烧。当机械球磨铜粉的SPS工艺参数设定为：烧结温度：850℃；烧结压力：60MPa；烧结时间：15min时，制备出块状烧结体致密度最高。 同时发现，向球磨前后两种铜粉中分别加入体积分数为10%的不同SiC颗粒（SiC、镀镍SiC、镀铜SiC）发现，表面金属化处理的SiC颗粒大大改善了与铜基材料的界面结合，有助于提高复合材料的致密度、硬度、拉伸强度等。不同的表面金属化处理的SiC颗粒对铜基体强化程度不同，对于致密度和硬度，SiC颗粒表面镀铜原子在烧结过程中充分扩散，故镀铜SiC的强化效果更好；对于复合材料的抗拉强度，镍原子固溶强化，镀镍SiC抗拉效果更好。实验中还发现，粉体经过机械球磨对SPS烧结体的致密度、硬度、拉伸强度均产生了不利影响。

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