多孔銅鎳鉻合金的制備及高溫壓縮性能

梁慧

摘要：以硬脂酸為造孔劑，通過粉末燒結(jié)工藝制備多孔銅鎳鉻合金，并進(jìn)行高溫壓縮實驗。結(jié)果表明：所得的多孔銅鎳鉻合金的孔隙多為球形或近球形的，孔洞尺寸和形貌與硬脂酸的顆粒相似；其應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯分為線性彈性區(qū)，屈服平臺區(qū)和致密化區(qū)，三個階段的變形機(jī)制不同。

關(guān)鍵詞：多孔銅合金 造孔劑 高溫壓縮

中圖分類號：TF594文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

0引言

多孔金屬或泡沫金屬材料，是由剛性金屬骨架和內(nèi)部的孔隙組成的，兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重屬性的多功能復(fù)合材料。與致密金屬材料相比，多孔金屬材料具有顯著的不同，多孔材料具有高孔隙率、低密度、透過性能好、耐腐蝕、耐高溫降噪等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通訊、冶金、建筑、新能源、環(huán)保等行業(yè)中，因此得到了世界各國科研工作者的廣泛關(guān)注[1-3]。

與多孔鋁或多孔鋁合金相比，多孔銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和耐高溫特性，因此廣泛用于電機(jī)、電器及電子元件的導(dǎo)熱散熱器件。此外，多孔銅合金還具有更好的導(dǎo)電性和延展性，而且成本比較低，可以替代鎳用于制作電池及雙電層電容器的電極材料。又由于多孔銅合金對人體基本是無害的，也在醫(yī)學(xué)上得到了大量的應(yīng)用，可以用于制備過濾材料如血液透析及水凈化過濾材料。多孔銅合金的許多優(yōu)良特性是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料無法比擬的，因此對多孔銅合金的研究有著重要的意義[4-5]。有研究表明[6]，多孔金屬材料的性能不僅取決于基體材料、孔隙率及孔隙尺寸，而且與孔隙的結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。多孔金屬材料的孔隙可以分為兩種：開孔和閉孔。對于功能性的多孔金屬材料，開孔結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢。

多孔金屬材料的制備方法眾多，主要方法有鑄造法、發(fā)泡法、沉積法和粉末燒結(jié)法等。各種制備工藝獲得的多孔銅合金的孔隙結(jié)構(gòu)及性能有所不同，所以其應(yīng)用領(lǐng)域也不同。本文采用粉末燒結(jié)法制備多孔銅合金，通過混合、壓制、去造孔劑、燒結(jié)的工藝方法獲得多孔銅合金。造孔劑的選擇尤為重要，造孔劑不同獲得的多孔銅合金的孔隙形貌不同，則力學(xué)性能也不相同。王清周等[7]人利用NaCl為造孔劑制備多孔銅，其孔隙多為三維貫通開孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而周蕓等[8]人利用碳酸鹽為造孔劑，獲得高孔隙率的多孔銅基合金。作者采用球形或近球形的硬脂酸顆粒作為造孔劑來制備多孔銅鎳鉻合金。

1試樣制備與試驗方法

1.1實驗材料

制備多孔銅鎳鉻合金的原材料為金屬粉末和造孔劑，其中銅粉為霧化銅粉，平均粒度為25-35m，形狀為球形；鎳粉為羰基鎳粉，平均粒度3-4m，球形粉末；鉻粉采用平均粒度為40-50m的鉻粉，造孔劑為硬脂酸。

1.2實驗方案

由于鉻粉的粒度不均勻，首先采用球磨工藝?yán)眯行乔蚰C(jī)打磨6h。鉻粉磨好以后，將三種預(yù)合金粉末混合均勻。按照一定的質(zhì)量比比例關(guān)系稱量出粉末，采用行星球磨機(jī)進(jìn)行混料，其中磨球為陶瓷球。混合時間不宜過長，否則會對金屬粉末起到破壞作用，使得粉末的形狀發(fā)生改變，所以選取混合時間為2h。將混合均勻的合金粉末與硬脂酸按照體積比為1:1裝入原料瓶中。經(jīng)過多次嘗試發(fā)現(xiàn)添加少量的無水乙醇能夠使粉末和造孔劑混合的比較均勻。粉末少量時可以采用手動混粉，將無水乙醇加入到裝有合金粉末和造孔劑的原料瓶中進(jìn)行混合，混粉時間約為15min，使得金屬粉末能夠均勻附著在硬脂酸顆粒上，且原料瓶壁上基本上沒有預(yù)合金粉末附著?；旌蠒r間過短，合金粉末不能完全附著在硬脂酸顆粒上；混合時間過長，則附著在造孔劑上的粉末會由于酒精的揮發(fā)而大量脫落。當(dāng)粉末的量比較大時可以采用混粉機(jī)進(jìn)行混合，混合時間根據(jù)需要而定?；旆劢Y(jié)束后，需要立即進(jìn)行壓制，否則在空氣中放置過久，無水乙醇大量揮發(fā)，將導(dǎo)致造孔劑和合金粉末分離脫落。本實驗中使用的壓制設(shè)備為粉末壓片機(jī)，為了減少摩擦力防止試樣掉角，便于脫模，可以在裝粉前在模具內(nèi)壁涂少量的硬脂酸鋅酒精溶液作潤滑劑。在壓制過程中，如果壓力過小則不能夠壓制成型，壓力過大則會將造孔劑壓碎，使得最終燒結(jié)的樣品孔隙率減小。經(jīng)過多次試驗，采用300MPa進(jìn)行壓制。最終獲得的壓制樣品如圖1所示。壓制成型以后需要去除造孔劑，而硬脂酸的沸點為232℃，選擇在300℃時去除造孔劑。利用管式爐進(jìn)行加熱升溫至300℃，保溫2h，以便能夠盡量多的去除壓坯中的硬脂酸，去除造孔劑后的壓坯見圖2。去除造孔劑后，將壓坯再次放入真空燒結(jié)爐中，在950℃下燒結(jié)1h，保護(hù)氣氛采用氫氣，隨爐冷卻至室溫。

圖1 加壓300MPa獲得的壓制件圖2去除造孔劑后的壓制件

2實驗結(jié)果與分析

2.1宏觀形貌

最終獲得的燒結(jié)樣品如圖3所示，表面上存在大量的孔隙。燒結(jié)后的多孔銅鎳鉻合金的縱剖面圖見圖5，從圖中可以看出，孔型為球形或者近球形的，孔洞形狀大小不一，與造孔劑的形狀有關(guān)。

圖3燒結(jié)后的銅鎳鉻合金圖4銅鎳鉻合金的縱剖面

2.2 高溫壓縮性能

采用蠕變疲勞試驗機(jī)對標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行高溫壓縮實驗，溫度設(shè)定為650℃，應(yīng)變速率為10-3/s。將采集的數(shù)據(jù)，利用orgin8.0進(jìn)行處理后得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。從圖中可以看出多孔銅鎳鉻合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為三個階段，即線性彈性區(qū)，屈服平臺區(qū)和致密化區(qū)。從圖中可以看出當(dāng)應(yīng)變小于10%時，多孔金屬材料處于線彈性階段，主要表現(xiàn)為孔壁的彈性變形，去除應(yīng)力后可以恢復(fù)到原始狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)變超過10%以后，開始進(jìn)入屈服平臺區(qū)，部分孔洞開始被壓垮，此階段曲線并不平滑，主要是內(nèi)部孔洞的分布不均勻和部分大孔洞被壓垮引起的。繼續(xù)加載，在應(yīng)變達(dá)到50%以后，多孔銅鎳鉻合金的孔壁互相接觸，基體金屬開始被壓縮，導(dǎo)致應(yīng)力迅速上升，進(jìn)入致密化區(qū)，多孔合金向致密合金轉(zhuǎn)變。

圖5 多孔銅合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3結(jié)論

利用硬脂酸做造孔劑，通過粉末混合、壓制、燒結(jié)制備得到多孔銅鎳鉻合金。

制備獲得的多孔銅合金的孔隙形貌多為球形或者近球形的孔洞，大小不一。

多孔銅合金的高溫壓縮曲線分為三個階段，每個階段的變形機(jī)制不同。

參考文獻(xiàn)

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