銅基復(fù)合材料制備工藝的研究進(jìn)展

雷沙沙,劉洪軍,2

(蘭州理工大學(xué)1.材料科學(xué)與工程學(xué)院，2.省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)

0 引 言

銅基復(fù)合材料是以銅或銅合金為基體，通過(guò)加入一種或多種增強(qiáng)相制備而成的一種復(fù)合材料，其增強(qiáng)相包括氧化物、碳化物、氮化物等陶瓷相，以及石墨烯和碳納米管等新型增強(qiáng)相[1]。銅基復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、耐磨耐蝕性、高溫穩(wěn)定性等性能，廣泛應(yīng)用于航天航空、電子電氣、石油化工、交通冶金等領(lǐng)域[2]。例如，集成電路中的引線框架、點(diǎn)焊電極、觸頭等材料需滿(mǎn)足軟化溫度不低于800 K、電導(dǎo)率不低于5.2 S·m-1、抗拉強(qiáng)度不低于600 MPa，且在高頻接觸工作條件下能長(zhǎng)期使用的要求，傳統(tǒng)的銅和銅合金材料難以滿(mǎn)足這些要求，而WC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料因具備耐高溫、耐電弧燒蝕、強(qiáng)度高等特性，能夠很好地滿(mǎn)足這些要求[3]。銅基粉末冶金復(fù)合材料因?qū)嵝院?、耐磨耐熱及高溫穩(wěn)定性好而大量用于制造承受較高溫度的制動(dòng)與傳動(dòng)零部件，如飛機(jī)、載重汽車(chē)、重型工程機(jī)械車(chē)的剎車(chē)片[4]。

高新科技領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系男枨罂焖僭鲩L(zhǎng)，銅基復(fù)合材料的制備工藝也在不斷進(jìn)步，綜合性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。王英敏等[5]發(fā)明了一種Y2O3彌散強(qiáng)化銅合金的制備方法，制備的銅基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度大于550 MPa，導(dǎo)電率超過(guò)90%IACS，軟化溫度高于900 ℃，綜合性能良好。LI等[6]使用粉末冶金方法制備得到Cu-Al2O3復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、導(dǎo)電率分別達(dá)522 MPa，8.2%和90%IACS。ZHOU等[7]采用內(nèi)氧化法制備得到Cu-Al2O3銅基復(fù)合材料，并在對(duì)500 ℃下進(jìn)行退火處理，退火后該復(fù)合材料的導(dǎo)電率為81.98%IACS±0.56%IACS。REN等[8]對(duì)采用內(nèi)氧化法制備得到的Cu-Al2O3復(fù)合材料進(jìn)行熱擠壓處理后，復(fù)合材料的導(dǎo)電率為96.3%IACS。由此可見(jiàn)，銅基復(fù)合材料制備方法及處理工藝的改進(jìn)可以滿(mǎn)足對(duì)該材料更高性能的要求。作者綜述了銅基復(fù)合材料不同制備工藝的優(yōu)勢(shì)和不足及其近期研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 粉末冶金法

粉末冶金法是最早用來(lái)制備金屬基復(fù)合材料的方法之一[9-10]，用此法制備銅基復(fù)合材料的工藝流程：將銅粉、增強(qiáng)相粉和添加劑按一定比例充分混合成均勻的復(fù)合粉體，然后在一定的壓力和溫度下壓制和燒結(jié)得到銅基復(fù)合材料。

增強(qiáng)相種類(lèi)對(duì)銅基復(fù)合材料的性能影響很大。國(guó)秀花等[11]采用粉末冶金工藝分別制備了Al2O3和MgO顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，2種復(fù)合材料的硬度相近，分別為94.4，93.9 HB，均高于SiO2/Cu復(fù)合材料，表明增強(qiáng)相的物理性質(zhì)相近時(shí)，所制備的銅基復(fù)合材料性能也相近。對(duì)增強(qiáng)相進(jìn)行預(yù)處理是改善銅基復(fù)合材料制備效果的有效措施。TIAN等[12]先對(duì)B4C粉進(jìn)行表面化學(xué)鍍銅預(yù)處理，再將該B4C粉與銅粉、石墨粉混合，利用粉末冶金法制備出B4C增強(qiáng)銅/石墨自潤(rùn)滑復(fù)合材料，表面鍍銅層改善了B4C顆粒與銅之間的潤(rùn)濕性并提高了界面結(jié)合強(qiáng)度，與無(wú)銅包覆B4C增強(qiáng)銅/石墨復(fù)合材料相比，銅包覆B4C增強(qiáng)銅/石墨復(fù)合材料具有更低的孔隙率、更優(yōu)異的耐磨性和更高的抗壓強(qiáng)度。放電等離子燒結(jié)(SPS)工藝是一種新的粉末冶金燒結(jié)方法，通過(guò)將混合好的材料粉體裝進(jìn)模具，在特定的燒結(jié)電壓和壓力下，放電使粉體活化并熱塑變形及冷卻而制備出高性能復(fù)合材料。AKBARPOUR等[13-14]用SPS法制備出納米SiC/Cu復(fù)合材料，復(fù)合材料中銅基體的晶粒尺寸僅為185 nm，遠(yuǎn)小于純銅(437 nm)，如圖1所示，晶粒細(xì)化改善了復(fù)合材料的摩擦性能；在該復(fù)合材料中添加碳納米管(CNTs)制備得到CNTs-SiC/Cu納米復(fù)合材料，復(fù)合材料的磨損寬度較純銅小約200 μm，磨損深度降低了79%，這是因?yàn)樵谀Σ吝^(guò)程中暴露的碳納米管可以阻止復(fù)合材料與對(duì)磨件的直接接觸，減少接觸表面的黏附力，從而提高復(fù)合材料的耐磨性能。

圖1 SPS工藝制備得到純銅和SiC/Cu復(fù)合材料的電子背散射衍射圖[14]Fig.1 Electron backscatter diffraction patterns of pure Cu (a) and SiC/Cu composite (b) prepared by SPS[14]

粉末冶金法能直接壓制出接近制件形狀尺寸的復(fù)合材料坯體，材料的利用率高，可以減少后續(xù)機(jī)械加工步驟并降低成本；該方法可以靈活選用不同類(lèi)型和顆粒尺寸的增強(qiáng)相，且其相對(duì)較低的制備溫度可避免銅基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生反應(yīng)，從而保證復(fù)合材料獲得優(yōu)異的性能。粉末冶金法主要用于制備顆粒彌散增強(qiáng)銅基復(fù)合材料[15-16]，是生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件、摩擦件及高強(qiáng)高導(dǎo)電構(gòu)件的主要手段[17]。但是與其他方法相比，粉末冶金法的工藝比較復(fù)雜，而且受模具形狀和尺寸的限制，不適合制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件。

2 鑄造法

鑄造法是一種常用的金屬基復(fù)合材料制備方法[18]，主要包括攪拌鑄造法和擠壓鑄造法兩種。攪拌鑄造法制備銅基復(fù)合材料的流程：將增強(qiáng)相加入到銅或銅合金熔體中，通過(guò)一定的攪拌方式使得增強(qiáng)相顆粒均勻分散，經(jīng)過(guò)澆注凝固形成復(fù)合材料鑄錠，后續(xù)可輔以冷壓或擠壓等形變處理[19-20]。擠壓鑄造法制備銅基復(fù)合材料一般分為2步，第一步制備增強(qiáng)相預(yù)制體，第二步將銅或銅合金熔體用擠壓方法壓入增強(qiáng)相預(yù)制體內(nèi)，冷卻凝固后得到銅基復(fù)合材料[21]。

攪拌鑄造法是制備多種強(qiáng)化相增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的一種合適且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。SINGH等[22-23]研究了不銹鋼含量對(duì)攪拌鑄造法制備WC/Cu復(fù)合材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加少量的不銹鋼可以提高復(fù)合材料的耐腐蝕性能，并改善銅基體和WC的潤(rùn)濕性。JAMWAL等[24]用攪拌鑄造法制備石墨-SiC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，2種增強(qiáng)相既不固溶也不發(fā)生反應(yīng)，SiC顆粒使得復(fù)合材料有較高的強(qiáng)度，石墨的添加降低了復(fù)合材料的密度，提高了耐磨性；這種輕質(zhì)銅基復(fù)合材料可應(yīng)用于汽車(chē)和航空等領(lǐng)域。在攪拌鑄造過(guò)程中增強(qiáng)相顆粒容易出現(xiàn)團(tuán)聚、分布不均勻的現(xiàn)象。為了解決此問(wèn)題，鄒存磊[25]在鑄造過(guò)程中施加不同強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過(guò)電磁力使熔融金屬液對(duì)流，將團(tuán)聚的增強(qiáng)相顆粒沖散并使其均勻分布在銅基體中，如圖2所示。將擠壓鑄造和增材制造等新技術(shù)相結(jié)合可以制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的銅基復(fù)合材料。徐慧燕等[26]采用激光選區(qū)熔化成形工藝制備鎳增強(qiáng)體，然后用擠壓鑄造法獲得空間結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料，該復(fù)合材料的硬度高達(dá)120 HB，為純銅的1.71倍，相同條件下其磨損量比純銅降低了58%。

圖2 攪拌鑄造過(guò)程中施加磁場(chǎng)制備得到TiB2/Cu復(fù)合材料的顯微組織[25]Fig.2 Microstructure of TiB2/Cu composite prepared by magnetic field during stirring casting[25]

鑄造法工藝簡(jiǎn)單，過(guò)程易控制，制備成本低，對(duì)設(shè)備要求不高，在大規(guī)模生產(chǎn)銅基復(fù)合材料方面有一定的優(yōu)勢(shì)。在用攪拌鑄造法制備銅基復(fù)合材料的過(guò)程中存在增強(qiáng)相顆粒在熔融金屬中分散不均勻問(wèn)題，而且復(fù)合材料熔體中的雜質(zhì)和氣體排出較困難，此時(shí)可通過(guò)電磁、電壓攪拌代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械攪拌，從而可在避免雜質(zhì)引入的同時(shí)使得增強(qiáng)相在銅基體中分布均勻。擠壓鑄造法可以通過(guò)定制一定形狀增強(qiáng)體制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)銅基復(fù)合材料，但此法在鋁基復(fù)合材料零件制造方面的研究和應(yīng)用較多，而在銅基復(fù)合材料方面還有很大的發(fā)展空間。

3 機(jī)械合金化法

機(jī)械合金化法的主要機(jī)制是借助高速旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能，使復(fù)合粉體在磨球的重復(fù)擠壓、摩擦下發(fā)生反復(fù)變形從而細(xì)化金屬基體相的晶粒，并使復(fù)合材料的組分均勻分布。機(jī)械合金化使原子擴(kuò)散更充分、界面結(jié)合強(qiáng)度更高，適合制備顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料[27]。

機(jī)械合金化法可用于制備超細(xì)晶粒的銅基復(fù)合材料。LI等[28]在Cu-Cr合金粉中加入超細(xì)TiB2顆粒，通過(guò)機(jī)械合金化法制備Cu-Cr-TiB2復(fù)合材料，該復(fù)合材料的晶粒尺寸小于50 nm，這是因?yàn)槌?xì)硬質(zhì)TiB2陶瓷顆粒對(duì)銅合金粉進(jìn)行反復(fù)微切割，干擾位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，破壞晶粒的完整性，最終加劇晶粒的細(xì)化。VISHLAGHI等[29]對(duì)銅粉和鐵粉進(jìn)行機(jī)械合金化，制備得到納米Cu80Fe20合金固溶體，然后加入CNTs制備了CNT/Cu80Fe20復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)鐵的加入導(dǎo)致合金的電導(dǎo)率下降，但復(fù)合材料的導(dǎo)電性隨著碳納米管含量的增加而改善。采用機(jī)械合金化法可在銅或銅合金表面制備復(fù)合材料層，高能球磨作用使金屬表面經(jīng)歷連續(xù)塑性變形，從而細(xì)化表面晶粒，并將增強(qiáng)相顆粒嵌入基體表層中。MENG等[30]采用機(jī)械合金化法在純銅表面制備鎢銅復(fù)合材料層，通過(guò)復(fù)合材料層結(jié)構(gòu)的變化說(shuō)明了在不混溶金屬體系中復(fù)合材料層的形成機(jī)理，其形成機(jī)理如圖3所示；研究表明球磨時(shí)間對(duì)復(fù)合材料層的形成起著重要的作用，球磨時(shí)間太短不足以在銅表面形成復(fù)合材料層，球磨時(shí)間的延長(zhǎng)能夠提高表面層密度及其與銅基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，從而在銅表面形成復(fù)合材料層。點(diǎn)焊電極在汽車(chē)車(chē)身焊接過(guò)程中的維修、更換比較頻繁，迫切需要提高其性能并延長(zhǎng)使用壽命，因此可采用表面增強(qiáng)處理對(duì)銅電極性能進(jìn)行改善。TiC單相表面增強(qiáng)點(diǎn)焊電極的電導(dǎo)率低，而TiB2單相增強(qiáng)時(shí)其與銅基體的潤(rùn)濕性差。董仕節(jié)等[31]采用機(jī)械合金化結(jié)合真空半燒結(jié)工藝在銅電極表面通過(guò)電火花熔覆制備了TiB2-TiC復(fù)相層，該方法解決了采用單相增強(qiáng)時(shí)存在的問(wèn)題。

圖3 用機(jī)械合金化法在純銅表面制備鎢銅復(fù)合材料層的形成機(jī)理示意[30]Fig.3 Schematic of formation mechanism of tungsten copper composite layer prepared on surface of pure copper by mechanical alloying[30]

與粉末冶金法和鑄造法相比，機(jī)械合金化法對(duì)原料的適應(yīng)性更強(qiáng)，除了可制備一般的顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料外，還可制備納米晶、非晶復(fù)合材料；目前機(jī)械合金化法已成為制備超細(xì)晶或納米銅基復(fù)合材料的一種重要方法[32-33]。機(jī)械合金化法制備銅基復(fù)合材料時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間球磨雖然可細(xì)化復(fù)合材料晶粒，但也大大降低制備效率，而且在制備過(guò)程中易引入雜質(zhì)，影響復(fù)合材料的性能，尤其是導(dǎo)電性能。

4 內(nèi)氧化法

內(nèi)氧化法是美國(guó)SCM公司的專(zhuān)利技術(shù)[34]，其原理：在合金粉氧化過(guò)程中氧溶解到合金相中并在合金相中擴(kuò)散，合金中比較活潑的元素與氧發(fā)生反應(yīng)形成氧化物顆粒。在制備過(guò)程中先將合金粉復(fù)合氧化，后續(xù)處理工藝與粉末冶金法相似。內(nèi)氧化法在銅基復(fù)合材料制備中的典型應(yīng)用是制備Al2O3彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料,內(nèi)氧化法可以通過(guò)在材料內(nèi)部氧化生成Al2O3顆粒的方法解決Al2O3與銅基體潤(rùn)濕性差的問(wèn)題。目前在內(nèi)氧化法中主要采用以下2種方式對(duì)鋁進(jìn)行氧化：(1)將一定比例的銅鋁合金粉和氧化介質(zhì)均勻混合后在密閉條件下進(jìn)行內(nèi)氧化，再將氧化好的粉體進(jìn)行壓制燒結(jié)獲得銅基復(fù)合材料，此方法需要外加氧化介質(zhì)，混粉時(shí)間長(zhǎng)；(2)在保證銅基體不被氧化的前提下對(duì)鋁元素進(jìn)行內(nèi)氧化，該方法須嚴(yán)格控制氧含量[35-37]。

美國(guó)在20世紀(jì)70年代已成功將內(nèi)氧化法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，制備得到的Al2O3/Cu復(fù)合材料用于制作電焊電極[38-39]。近年來(lái)的發(fā)展方向主要是將內(nèi)氧化法和熱擠壓等方法相結(jié)合來(lái)制備綜合性能更優(yōu)異的銅基復(fù)合材料。REN等[8]將內(nèi)氧化法和熱擠壓法相結(jié)合制備了Cu-Al2O3納米復(fù)合材料，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為417，445 MPa，其中內(nèi)氧化法主要產(chǎn)生增強(qiáng)相Al2O3顆粒，而熱擠壓法可使材料晶粒細(xì)化并有特定的取向。李美霞等[40]將Cu-0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al合金熔化后經(jīng)水霧化法制取銅鋁合金粉，合金粉經(jīng)氧化、冷等靜壓成形、真空燒結(jié)、熱擠壓和冷拉拔變形等過(guò)程，得到直徑為1 mm的Cu-Al2O3復(fù)合材料絲，復(fù)合材料中Al2O3顆粒尺寸約為6 nm，屈服強(qiáng)度高達(dá)680 MPa，這是因?yàn)榫鶆蚍稚⒌募?xì)小Al2O3顆粒對(duì)位錯(cuò)有一定的阻礙作用，強(qiáng)化效果顯著。XU等[41]在用內(nèi)氧化法制備Al2O3/Cu復(fù)合粉體的基礎(chǔ)上，利用化學(xué)氣相沉積法在復(fù)合粉體表面原位生長(zhǎng)CNTs，CNTs的生長(zhǎng)機(jī)理如圖4所示，成功制備出Cu-Al2O3/CNTs復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)具有較低表面粗糙度和石墨化程度的CNTs均勻分散在復(fù)合粉體表面，并與其結(jié)合良好。

圖4 用化學(xué)氣相沉積法在Cu-Al2O3復(fù)合粉體表面上原位生長(zhǎng)CNTs的生長(zhǎng)機(jī)理示意[41]Fig.4 Schematic of growth mechanism of in-situ CNTs formed on surface of Cu-Al2O3 composite powder by chemical vapor deposition[41]

采用內(nèi)氧化法可以在銅基復(fù)合材料中形成分布均勻、熱穩(wěn)定好的細(xì)小氧化物，可在復(fù)合材料中產(chǎn)生彌散強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化等多種復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制，因此所制備的復(fù)合材料具有優(yōu)良的性能，尤其是高溫力學(xué)性能。內(nèi)氧化法制備銅基復(fù)合材料的難點(diǎn)在于氧氣含量的控制，且其工序繁雜、成本較高，這也是實(shí)現(xiàn)大批量、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)銅基復(fù)合材料的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

5 原位合成法

原位合成法是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型制備方法，其基本原理：材料在一定條件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在基體材料內(nèi)部生成一種甚至多種增強(qiáng)相，從而達(dá)到改善基體材料性能的目的。通過(guò)原位合成法制備銅基復(fù)合材料時(shí)，增強(qiáng)相是在銅或銅合金內(nèi)部原位形成的。

丁飛等[42]采用原位合成法制備了Al2O3彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)與外加增強(qiáng)相相比，在相同成分下原位合成法制備得到銅基復(fù)合材料的綜合性能更好，且當(dāng)Al2O3體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能最佳，硬度、導(dǎo)電率和相對(duì)密度分別為120 HB，85%IACS和97.7%。TiB2和銅之間的密度差異較大，凝固過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)顆粒的嚴(yán)重偏析，用傳統(tǒng)的鑄造法很難制備出組織均勻的TiB2顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。WANG等[43]通過(guò)Cu-Ti和Cu-B合金原位生成TiB2相的方法解決了此問(wèn)題，且在制備過(guò)程中附加了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)一步改善了TiB2顆粒在銅基體中的分布狀態(tài)。RU?IC等[44]采用原位合成法制備ZrB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，在650～690 ℃范圍內(nèi)熱壓銅、鋯和硼的合金粉后，復(fù)合材料中形成ZrB2相，當(dāng)溫度升高至950 ℃時(shí)，復(fù)合材料中除了存在ZrB2相外，還有CuZr相生成。高溫自蔓延合成法是一種原位合成法，該方法通過(guò)將預(yù)期構(gòu)成增強(qiáng)材料的2種粉體與基體粉體均勻混合，再利用外部能量誘發(fā)局部化學(xué)反應(yīng)，然后依靠化學(xué)反應(yīng)熱使得后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程自發(fā)持續(xù)進(jìn)行，從而合成材料。LV等[45]通過(guò)激光熔覆和高溫自蔓延合成相結(jié)合的方法在銅基體表面制備了ZrB2-ZrC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料表面層，原位合成的增強(qiáng)相與銅基體之間形成了如圖5所示的柱狀晶和等軸晶的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低了界面的應(yīng)力集中并提高了界面的結(jié)合強(qiáng)度；ZrB2-ZrC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料表層的顯微硬度比基體提高了近6倍。

圖5 用激光熔覆和高溫自蔓延合成相結(jié)合的方法制備得到ZrB2-ZrC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料表層的顯微組織[45]Fig.5 Microstructure of surface layer of ZrB2-ZrC reinforced copper matrix composite prepared by combining method of laser cladding and self-propagating high-temperature synthesis[45]

原位合成法已成為具有較廣闊發(fā)展前景的一種新型銅基復(fù)合材料制備技術(shù)，增強(qiáng)材料在銅基體內(nèi)部原位合成，可以解決增強(qiáng)相和銅或銅合金之間潤(rùn)濕性差、界面結(jié)合強(qiáng)度弱等問(wèn)題。與其他方法相比，原位合成法減少了增強(qiáng)相預(yù)處理工藝，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了制備工藝。由于復(fù)合材料的性能對(duì)增強(qiáng)相的含量和形態(tài)非常敏感，因此用原位合成法制備銅基復(fù)合材料時(shí)需要對(duì)增強(qiáng)相的數(shù)量和尺寸進(jìn)行控制。

6 熔體浸滲法

熔體浸滲法是將銅或者銅合金熔體浸滲到增強(qiáng)相預(yù)制體中，凝固后形成銅基復(fù)合材料的一種方法。熔體浸滲法原理與擠壓鑄造法類(lèi)似，但是擠壓鑄造法是用高壓迫使金屬熔體進(jìn)入增強(qiáng)相預(yù)制體的孔隙中，而熔體浸滲法是在無(wú)壓或較小壓力下，利用銅或銅合金熔體與預(yù)制體之間的潤(rùn)濕性，在毛細(xì)作用力、重力和壓力的共同作用下對(duì)預(yù)制體孔隙進(jìn)行充填。

QU等[46]分別用無(wú)壓浸滲和等離子燒結(jié)法制備同體積分?jǐn)?shù)SiC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)無(wú)壓浸滲法制備的復(fù)合材料表現(xiàn)出更低的熱膨脹系數(shù)。ABYZOV等[47]將銅熔體無(wú)壓浸滲到鎢包覆的金剛石坯體中制備金剛石增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，測(cè)得復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為720 W·m-1·K-1、彈性模量為310 GPa，導(dǎo)熱性能優(yōu)于鎢或WC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料以及彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。RAMBO等[48]將Ti-Cu合金反應(yīng)熔滲到3D打印制備的多孔碳中，合成了TiC/Ti-Cu/C復(fù)合材料，由于3D打印可制備復(fù)雜形狀的預(yù)制體，結(jié)合熔體浸滲法可制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的銅基復(fù)合材料，為直接成形銅基復(fù)合材料零件提供了可能。李曉雪[49]利用無(wú)壓熔體浸滲法成功制備出層狀結(jié)構(gòu)WC/Cu復(fù)合材料，制備工藝過(guò)程如圖6(a)所示，復(fù)合材料的顯微組織如圖6(b)所示，研究了冷凍溫度、WC含量對(duì)復(fù)合材料性能的影響，為制備仿生銅基復(fù)合材料提供新思路。

圖6 無(wú)壓熔體浸滲法制備層狀結(jié)構(gòu)WC/Cu復(fù)合材料的工藝過(guò)程及顯微組織[49]Fig.6 Process (a) and microstructure (b) of WC/Cu composite with lamellar structure prepared by pressureless melt infiltration method[49]

用熔體浸滲法制備銅基復(fù)合材料時(shí)，制備時(shí)間相比擠壓鑄造法長(zhǎng)，但是組織較致密，界面結(jié)合良好，預(yù)制體一般不會(huì)發(fā)生壓碎、開(kāi)裂、變形等問(wèn)題。熔體浸滲法適用于與銅或銅合金潤(rùn)濕性良好的增強(qiáng)相，也適用于可以通過(guò)在銅基體中引入其他金屬元素而改善潤(rùn)濕性的增強(qiáng)相。熔體浸滲法制備銅基復(fù)合材料的關(guān)鍵在于熔體浸滲行為和兩相界面反應(yīng)的控制，在設(shè)計(jì)工藝時(shí)需要深入研究這些內(nèi)容。

7 攪拌摩擦法

攪拌摩擦法是從攪拌摩擦焊演變而來(lái)的一種加工方法，又稱(chēng)為攪拌摩擦處理，其基本原理是通過(guò)攪拌頭的強(qiáng)烈攪拌作用使被加工材料發(fā)生劇烈塑性變形、破碎、混合[50]。用攪拌摩擦法制備銅基復(fù)合材料時(shí)，先將銅板固定好并在其表面開(kāi)槽，然后將增強(qiáng)材料預(yù)置在槽中或置于攪拌頭中，在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向銅板施加壓力，使攪拌頭鉆入銅板內(nèi)，利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與銅板摩擦所產(chǎn)生的大量熱量使材料溫度迅速升高；攪拌頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著指定方向運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)相材料軟化，被熔融態(tài)的銅或銅合金包覆，從而完成銅基復(fù)合材料的制備[51]。

MISHRA等[52]最早采用攪拌摩擦法來(lái)制備5083鋁與SiC顆粒所形成的復(fù)合層，發(fā)現(xiàn)此法制備的復(fù)合材料的晶粒得到細(xì)化。BARMOUZ等[53]受其啟發(fā)并將攪拌摩擦法用于制備SiC顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料上，制備的復(fù)合材料無(wú)縮松、縮孔等缺陷，且晶粒比同種增強(qiáng)材料下采用鑄造法得到的復(fù)合材料細(xì)小。LI等[54]通過(guò)摩擦攪拌加工制備Al2O3/TiO2顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料層時(shí)，對(duì)攪拌摩擦裝置進(jìn)行了改動(dòng)，設(shè)置了一個(gè)如圖7(a)所示的“三明治”搭接裝置，制備得到厚度為2 200 μm的復(fù)合層，該復(fù)合層的硬度比銅基體提高約4倍，這是由于反復(fù)攪拌摩擦使得Al2O3和TiO2顆粒在基體中均勻分布，并且晶粒得到細(xì)化導(dǎo)致的。KHOSRAVI等[55]研究了攪拌頭轉(zhuǎn)速以及攪拌道次對(duì)WC/Cu復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)、摩擦磨損性能等的影響，發(fā)現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)烈的攪拌過(guò)程所產(chǎn)生的熱量使得材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶以及連續(xù)的塑性變形，晶粒得到細(xì)化，從而改善復(fù)合材料性能；復(fù)合材料的顯微組織如圖7(b)所示。THANKACHAN等[56]通過(guò)加入AlN、BN混合增強(qiáng)顆粒來(lái)制備表面銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)AlN和BN均單獨(dú)發(fā)揮增強(qiáng)作用，互不影響，復(fù)合材料的硬度顯著提高，表面銅基復(fù)合材料與純銅相比具有更優(yōu)異的耐磨性能。

圖7 攪拌摩擦法制備Al2O3/TiO2顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的搭接裝置示意以及WC/Cu復(fù)合材料的顯微組織Fig.7 Schematic of lap device for preparing Al2O3/TiO2 particle-reinforced copper matrix composite by friction stir method (a) and microstructure of WC/Cu composite (b)

目前，攪拌摩擦法制備銅基復(fù)合材料尚未進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)階段，但是由于可以在給定的深度內(nèi)將增強(qiáng)相分散到銅或銅合金基體中，因此在銅基復(fù)合材料表面改性以及超塑性材料和納米晶材料開(kāi)發(fā)等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)和潛力。攪拌摩擦過(guò)程中所需控制的工藝參數(shù)較多，如攪拌道次、攪拌速度、溫度等，且攪拌過(guò)程中溫度較高時(shí)復(fù)合材料界面反應(yīng)不易控制，這些均在一定程度上制約了攪拌摩擦法的應(yīng)用范圍。

8 結(jié)束語(yǔ)

在銅基復(fù)合材料的主要制備工藝中，粉末冶金法、鑄造法、機(jī)械合金化法等制備的銅基復(fù)合材料中增強(qiáng)相含量范圍較寬，成分容易控制，但致密程度略低、制備成本較高；熔體浸滲法可與3D打印等成形新工藝相結(jié)合，用于制造形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的銅基復(fù)合材料零件，未來(lái)發(fā)展前景廣闊，但前提是增強(qiáng)相和銅熔體之間的潤(rùn)濕性較好或者可發(fā)生界面反應(yīng)，同時(shí)預(yù)制體成形工藝的復(fù)雜性也增加了制備的難度；內(nèi)氧化法和原位合成法主要解決了增強(qiáng)相和銅基體潤(rùn)濕性差的問(wèn)題，提高了增強(qiáng)相與銅基體的結(jié)合性能，但是對(duì)于所制備的復(fù)合材料體系有一定限制；機(jī)械合金化法和攪拌摩擦法可用來(lái)制備納米晶、表面層銅基復(fù)合材料，但是適用范圍有限，設(shè)備要求高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。隨著科技的進(jìn)步，銅基復(fù)合材料制備工藝的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1) 針對(duì)不同制備工藝的缺點(diǎn)與不足進(jìn)行完善，將多種制備工藝結(jié)合形成集成創(chuàng)新，繼續(xù)開(kāi)發(fā)和研制新的銅基復(fù)合材料制備工藝。

(2) 在采用各種工藝制備銅基復(fù)合材料的過(guò)程中，復(fù)合材料性能除了受加工工藝的影響外，還與銅或銅合金基體和增強(qiáng)相的特性以及增強(qiáng)相的形狀、分布狀態(tài)等密切相關(guān)，因此應(yīng)建立銅基復(fù)合材料的用途、性能與材料體系、制備工藝及參數(shù)的關(guān)系，為制備工藝的選用和控制提供依據(jù)。

(3) 常用的制備工藝基本是基于燒結(jié)或凝固的成形原理，所制備銅基復(fù)合材料很難滿(mǎn)足高致密性要求，這對(duì)于其力學(xué)性能及導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的影響較大，因此應(yīng)通過(guò)精細(xì)化控制燒結(jié)或凝固過(guò)程以及開(kāi)發(fā)成形后處理工藝等來(lái)提高復(fù)合材料的致密性。

(4) 銅基復(fù)合材料的制備方法較多，但很多都處于實(shí)驗(yàn)室階段，未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，其主要原因在于工藝過(guò)程過(guò)于復(fù)雜、工藝參數(shù)不易控制、組織性能不穩(wěn)定、成本高等，因此通過(guò)簡(jiǎn)化工藝過(guò)程、穩(wěn)定工藝參數(shù)、降低生產(chǎn)成本等方法實(shí)現(xiàn)銅基復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化，也是今后需要持續(xù)研究的方向之一。