1、第44卷第7期2 0 2 3 年 7 月材 料 热 处 理 学 报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.44 No.7July2023DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2022-0613不同 Al2O3含量的 Al2O3/Cu 复合材料的热变形行为徐国杨1,2,国秀花1,2,李韶林1,2,宋克兴3,4,刘 嵩1,2,肖振朋1,2(1.河南科技大学材料科学与工程学院,河南 洛阳 471023;2.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室,河南 洛阳 471023;3.河南省科学院,河南 郑州 450046;4.
2、河南省先进导体材料重点实验室,河南 郑州 450046)摘 要:为探究 Al2O3含量对 Al2O3/Cu 复合材料热变形行为的影响,采用内氧化法制备了 3 种 Al2O3含量(0.28、0.66 和1.13 mass%)的 Al2O3/Cu 复合材料,通过热模拟实验对其热变形行为进行了研究。结果表明:在 823、923 和 1223 K 时,随着Al2O3/Cu 复合材料中 Al2O3含量的增加,复合材料的峰值应力逐渐增大;显微组织观察发现,由于 1.13 Al2O3/Cu 复合材料内动态软化积累程度最大,导致其在 1023 和 1123 K 下出现了峰值应力下降现象。经热挤压后,在热变形过
3、程中 Al2O3/Cu 复合材料的软化效果以动态回复为主。同时,发现 0.28 Al2O3/Cu 和 0.66 Al2O3/Cu 复合材料的热激活能相近,1.13 Al2O3/Cu 复合材料的热激活能远高于前两者,并分别获得了不同 Al2O3含量的 Al2O3/Cu 复合材料本构关系。采用动态材料模型(DMM)建立了Al2O3/Cu 复合材料的热加工图,随着 Al2O3含量的增加,热加工图中功率耗散系数 0.3 区域逐渐减小且向高温高应变速率方向移动;就失稳面积而言,0.66 Al2O3/Cu 复合材料的失稳区域占比最小。关键词:Al2O3/Cu 复合材料;热压缩;本构关系;热激活能;热加工图
4、中图分类号:TB331 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-0021-10收稿日期:2022-11-30 修订日期:2023-02-28基金项目:中国博士后科学基金(2020T130172,2020M682288);河南省重点研与推广专项(212102210110);河南省博士后经费资助(202002063);河南省高等学校重点科研项目(21A430014)作者简介:徐国杨(1998),男,硕士研究生,主要从事高性能铜基复合材料研究,E-mail:1109817109 。通信作者:国秀花(1981),女,硕士生导师,博士,主要从事新型铜基复合材料开发与应用、电接触领域
5、铜基材料设计与制备研究,发表论文 60 余篇,出版著作 3 部,E-mail:guoxiuhua 。引用格式:徐国杨,国秀花,李韶林,等.不同 Al2O3含量的 Al2O3/Cu 复合材料的热变形行为J.材料热处理学报,2023,44(7):21-30.XU Guo-yang,GUO Xiu-hua,LI Shao-lin,et al.Hot deformation behavior of Al2O3/Cu composites with different Al2O3 contents J.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,4
6、4(7):21-30.Hot deformation behavior of Al2O3/Cu composites with different Al2O3 contentsXU Guo-yang1,2,GUO Xiu-hua1,2,LI Shao-lin1,2,SONG Ke-xing3,4,LIU Song1,2,XIAO Zhen-peng 1,2(1.School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Henan,Luoyang 471023,China;2.Henan Ke
7、y Laboratory of Non-ferrous Materials Science and Processing Technology,Luoyang 471023,China;3.Henan Academy of Sciences,Zhengzhou 450046,China;4.Henan Key Laboratory of Advanced Conductor Materials,Zhengzhou 450046,China)Abstract:In order to investigate the effect of Al2O3 content on hot deformatio
8、n behavior of Al2O3/Cu composites,three kinds of Al2O3/Cu composites with different Al2O3 contents(0.28,0.66 and 1.13 mass%)were prepared by internal oxidation method,and their hot deformation behaviors were studied by thermal simulation experiments.The results show that at 823,923 and 1223 K,with t
9、he increase of Al2O3 content in the Al2O3/Cu composites,the peak stress of the composites increases gradually.The microstructure observation shows that the peak stress of the 1.13 Al2O3/Cu composites decreases at 1023 K and 1123 K due to the maximum accumulation of dynamic softening in the composite
10、s.After hot extrusion,the softening effect of the Al2O3/Cu composites during hot deformation is mainly dynamic recovery.At the same time,it is found that the hot activation energies of the 0.28 Al2O3/Cu and 0.66 Al2O3/Cu composites are similar,the hot activation energy of the 1.13 Al2O3/Cu composite
11、s is much higher than the former two,and the constitutive equations of the Al2O3/Cu composites with different Al2O3 contents are obtained respectively.The hot processing map of the Al2O3/Cu composite is 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷established by using dynamic material model(DMM).With the increase of Al2O3 co
12、ntent,the area with power dissipation coefficient 0.3 in the hot processing map gradually decreases and moves towards high temperature and high strain rate.As far as the area of instability,0.66 Al2O3/Cu composites have the smallest proportion of instability area.Keywords:Al2O3/Cu composite material
13、;hot compression;constitutive equation;hot activation energy;hot processing map Al2O3/Cu 复合材料(简称弥散铜)是以 Al2O3纳米颗粒作为增强相,以 Cu 为基体,增强相弥散分布于基体内的铜基复合材料。因其具有较高的强度、导电率和耐高温等优点,被广泛应用于电阻焊电极、大功率微波管、航空航天插接件连接线、热核实验反应堆冷却墙壁等1-4。当前内氧化法制备 Al2O3/Cu 复合材料工艺:混粉冷等静压内氧化还原烧结热挤压变形。其中,热挤压作为变形的关键工序可以大幅提高材料的致密度和力学性能,见表 1。然而,在高
14、温条件下,陶瓷相 Al2O3颗粒的钉扎作用使得材料具有较高强度,同时也使其高温塑性变形能力较差,导致 Al2O3/Cu 复合材料热加工过程困难,限制了其性能和应用。因此,探究 Al2O3/Cu 复合材料热加工过程的变化规律将有助于指导和改善其热成形过程。表 1 不同 Al2O3含量的 Al2O3/Cu 复合材料的致密度Table 1 Density of Al2O3/Cu composites with different Al2O3 contentsConditionsMaterials0.28 mass%Al2O3/Cu0.66 mass%Al2O3/Cu1.13 mass%Al2O3/C
15、uSintered83.6083.4679.91Hot extrusion98.0298.2398.44 围绕 Al2O3/Cu 复合材料的热变形加工,李玄等5对 Al2O3颗粒含量为 20 vol%的 Al2O3/Cu 复合材料进行了研究,得到了其应力和应变速率间的本构关系和热激活能。张彦敏等6对 Al2O3颗粒含量为0.68 mass%的 Al2O3/Cu 复合材料进行了研究,通过热加工图获得了 Al2O3/Cu 复合材料的最佳热加工区域。此外,杨雪瑞等7通过内氧化法和外加颗粒法添加纳米尺寸和微米尺寸 Al2O3颗粒,研究了尺度效应对 Al2O3/Cu 复合材料热变形行为的影响,结果表明:
16、纳米级 Al2O3/Cu 复合材料要比纳米微米 Al2O3颗粒混杂下复合材料的热激活能更低,纳米级 Al2O3颗粒与基体保持着较好的共格关系;Guo 等8-10采用内氧化法制备了弥散分布的纳米级 Al2O3/Cu 复合材料,研究了其在热模拟实验时不同的压缩方向(横/纵)对 Al2O3/Cu 复合材料热变形行为的影响,认为横向压缩的热激活能更小,而纵向压缩获得的显微组织更加均匀。上述研究,重点讨论了某一 Al2O3含量下 Al2O3/Cu 复合材料的热加工性能,强化相的尺度效应及不同压缩方向对该复合材料热变形行为的影响。对 Al2O3/Cu 复合材料而言,Al2O3的含量是影响 Al2O3/Cu 复合材料综合性能及热变形性能的主要因素。Al2O3/Cu 复合材料异于传统的高强高导铜复合材料,其变形的难点在于 Al2O3相的稳定性,根据Orowan 机制以及金属软化理论11-13,Al2O3的含量将直接影响热变形过程中的位错运动,进而影响变形过程;在温度和形变的驱动下,金属内可发生动态回复和动态再结晶,从而影响变形能力。但 Al2O3含量如何影响 Al2O3/Cu 复合材料热变形行为尚不清