纯铜表面机械研磨辅助合金化的研究

摘要

铜是最常见的工程材料之一，因其具有良好的力学、电学等性能，被广泛应用于各个领域。但是，纯铜材料本身的硬度强度较差，在一些特殊领域很难被进一步利用。铜镍合金、铜铝合金具有很多优异的性质，但是由于其低温延展性、韧性较差，同时制备设备要求比较严格，也未能发挥出应有的作用。金属表面纳米化可以使金属的硬度强度大幅提升，因此最近几年在纯铜表面进行纳米化处理得到了广泛的关注。如果能在纯铜表面既得到合金层又得到纳米晶层，那么将大幅改善纯铜材料的性能，使其得到更加广泛的应用。表面机械研磨(SMAT)处理是利用弹丸撞击材料表面，使材料表面产生强烈塑性变形，使表层晶粒尺寸细化到纳米级。本文就利用这一原理对纯铜材料进行SMAT处理过程中添加不同粉体，利用弹丸将其带至材料表面。以期获得表面具有合金层的纯铜材料，找到一种新的金属表面改性的方法。
　　 本文对轧制纯铜板（＞99.8wt％）进行了去应力退火处理后，打磨处理后，分别进行加镍粉、铝粉的SMAT处理120min和240min。将得到的试样用金相显微镜(OM)、X射线衍射分析仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对处理后样品的组织结构及物相组成进行分析。采用X射线能量色散谱分析方法(EDS)分析Ni、Al元素在不同层的分布与含量。利用维氏硬度测量仪对试样进行硬度测试;同时还对其进行了腐蚀性能的测试;最后利用摩擦磨损试验机对试样进行了摩擦磨损性能的测试，找出经过加镍粉、铝粉SMAT实验后材料的性能变化。实验结果如下:
　　 (1)纯铜在进行加入镍粉的SMAT处理后在表面会形成铜镍合金层，经过120 min处理后厚度可以达到35μm左右，而240 min处理后厚度可以达到55μm左右。铜镍合金层与基体之间的结合较好，EDS分析结果表明经过处理后的样品在合金层和铜变形层都出现了铜镍的互扩散。
　　 (2)纯铜在进行加入铝粉的SMAT处理后在表面会形成铜铝合金层，经过120 min处理后厚度可以达到37μm左右，而240 min处理后厚度同样为37μm左右。铜铝合金层与基体之间的结合较好，EDS分析结果同时表明了经过处理后的样品在合金层和铜变形层都出现了铜铝的反应扩散。
　　 (3)纯铜经过加镍粉SMAT处理240min和120min后，表面硬度分别为302HV和274HV，与基体相比提高了3倍和2.7倍。纯铜经过加铝粉SMAT处理240min和120min后，表面硬度分别为324HV和320HV，其与基体相比，大约都提高了3.3倍。因此，在纯铜表面纳米化同步形成合金层后，材料的硬度有了很大的提升。
　　 (4)纯铜经过加镍粉SMAT处理240min后，其试样在进行电化学极化测试时，腐蚀电位增大，腐蚀电流下降，大大提高了材料的抗腐蚀性能。而经过加镍粉SMAT处理120min后的试样，其试样在进行电化学极化测试时，腐蚀电位减小，腐蚀电流有微弱增大，其腐蚀性能稍有下降。而纯铜经过加铝粉SMAT处理120min和240min后，两种试样在进行电化学极化测试时，腐蚀电流增大了很多，材料的抗腐蚀性能下降的很明显。
　　 (5)纯铜在经过加镍粉SMAT处理120min和240min后得到的试样，其摩擦磨损性能有很大的提高。同时经过240min处理后得到的试样摩擦磨损性能要比只经过120min处理得到的试样优异。而纯铜在经过加铝粉SMAT处理120min和240min后得到的试样，在小载荷下也呈现出摩擦磨损性能提高的特征。但是随着载荷的增大，其摩擦磨损性能和基体相差不多，没有明显的提升效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米材料、金属间化合物的定义以及性能

1．1．1 纳米材料的定义

1．1．2 纳米材料的性质

1．2 金属材料表面纳米化

1．2．1 表面涂覆或沉积

1．2．2 金属表面自纳米化

1．2．3 混合法

1．3 扩散及其规律

1．3．1 扩散的宏观理论

1．3．2 扩散的微观机制

1．4 SMAT后晶体缺陷以及组织结构对溶质原子扩散的影响

1．4．1 SMAT产生的空位及其对扩散的影响

1．4．2 SMAT产生的位错、位错胞及其对扩散的影响

1．4．3 SMAT处理后试样表面产生的晶界及其对扩散的影响

1．4．4 SMAT处理时应力应变对扩散的影响

1．5 金属间化合物的定义及性能

1．5．1 金属间化合物的定义

1．5．2 金属间化合物的性质

1．5．3 Cu-Ni、Cu-Al化合物的性质

1．6 金属间化合物的制备

1．6．1 机械合金化法

1．6．2 自蔓延高温合成法

1．6．3 放电等离子烧结法

1．6．4 定向凝固技术

1．6．5 热压法和热等静压法

1．7 选题意义及研究内容

第二章 实验材料与方法

2．1 实验材料与制备

2．2 实验方法

2．3 组织结构分析及性能测试方法

2．3．1 金相组织观察

2．3．2 物相分析

2．3．3 SEM分析

2．3．4 性能测试

第三章 纯铜表面机械研磨辅助合成铜镍、铜铝合金

3．1 引言

3．2 实验结果与讨论

3．2．1 纯铜加Ni粉、Al粉在工艺Ⅰ下金相(OM)组织分析

3．2．2 纯铜在加入Ni粉的工艺Ⅱ、Ⅲ下金相(OM)组织分析

3．2．3 纯铜在工艺Ⅱ、Ⅲ后的X射线衍射(XRD)结果和分析

3．2．4 纯铜在加镍粉经过工艺Ⅱ、Ⅲ后的X射线衍射(XRD)结果和分析

3．2．5 纯铜在加镍粉经过工艺Ⅱ、Ⅲ后SEM图像及分析

3．2．6 纯铜在加镍粉经过工艺Ⅱ、Ⅲ后EDS结果及分析

3．2．7 纯铜在加入Al粉的工艺Ⅱ、Ⅲ下金相(OM)组织分析

3．2．8 纯铜在工艺Ⅱ、Ⅲ后的X射线衍射(XRD)结果和分析

3．2．9 纯铜在加铝粉经过工艺Ⅱ、Ⅲ后SEM图像及分析

3．2．10 纯铜在加铝粉经过工艺Ⅱ、Ⅲ后EDS结果及分析

3．3 SMAT处理纯铜表面形成合金层的讨论

3．3．1 纯铜表面形成合金层的机理

3．3．2 纯铜表面合金层形成的动力学分析

3．4 小结

第四章 机械研磨辅助合金化对纯铜性能的影响

4．1 引言

4．2 实验结果与讨论

4．2．1 表面机械研磨辅助合成铜镍、铜铝合金对显微硬度的影晌

4．2．2 SMAT辅助合金化后材料的腐蚀性能

4．2．3 SMAT辅助形成合金层材料的阻抗结果与讨论

4．2．4 SMAT辅助形成合金层材料的磨损性能结果与讨论

4．3 小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文