一种梯度结构HfB2/Cu-Hf-B铜基复合材料及其制备方法

本发明涉及铜基复合材料，具体涉及一种梯度结构hfb2/cu-hf-b铜基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、铜基复合材料因其卓越的导电性、力学强度和耐磨性，在电力、电子、航空航天等领域得到了广泛应用。然而，目前市场上的铜基复合材料多为均质结构，这种结构虽然能在某一特定性能方面表现出色，但在面对多重性能要求时，其综合性能往往显得不足。特别是在电接触材料的应用中，材料不仅需要具备高导电性和强度，还必须拥有良好的耐磨性。显然，传统的均质复合材料很难同时满足多样化的性能需求。

2、如专利cn 115747557a中hfb2/cu-hf复合材料虽然在纳米cu5hf析出相和hfb2陶瓷相混杂下显著提高了复合材料强度和高温性能，但高温下纳米cu5hf析出相并不稳定，而hfb2陶瓷相尺寸相对较大，两者对载流摩擦性能的贡献相对有限，而一旦均质材料的表层组织在摩擦磨损过程中被破坏，会严重影响零部件的使用寿命。为了解决均质复合材料的这一局限性，有必要开发高性能的功能梯度铜基复合材料。功能梯度材料的设计理念在于，通过有意识地改变材料各梯度层的组分含量和物相的空间分布，以达到与不同性能需求相匹配的组织特征。梯度结构设计不仅可以克服均质复合材料在综合性能上的不足，还能更好地适应复杂多变的工作环境，提高材料的整体使用效能和寿命。

技术实现思路

1、为了制备一种具有表层耐磨，中心高强的梯度铜基复合材料，本发明通过结合多种制备技术和微观组织设计，设计并制备出一种梯度结构hfb2/cu-hf-b铜基复合材料，以此来解决传统均质铜材料在复杂环境表层耐磨性较低技术问题。

2、为达到上述目的，本发明第一方面的目的在于提供一种梯度结构hfb2/cu-hf-b铜基复合材料，其中心层由微米hfb2和hf析出后形成的纳米cu5hf相组成，次表层由微米hfb2、纳米hfb2、纳米cu5hf析出相和b相组成，表层由b相组成，其中b相由里到外梯度增加，形成b梯度结构hfb2/cu-hf-b铜基复合材料，所述梯度结构hfb2/cu-hf-b铜基复合材料，按照质量百分比之和100％计，hfb2的质量百分数为0.5～8wt.％，b的质量分数为0～8wt.％，hf的质量分数为0～1.5wt.％，余量为cu。

3、进一步的，根据b相由里到外梯度增加，b含量从中心层到表层呈梯度递增，具体为hfb2/cu-hf:cu-b比例由25:1向1:20梯度变化。

4、本发明第二方面的目的，在于提供一种制备梯度结构hfb2/cu-hf-b铜基复合材料的方法，包括以下步骤：

5、步骤1，气雾化制备前驱体粉末：按质量百分比称取各组分原料，将原料进行加热得到中间合金熔体，当熔体达到反应温度时，将中间合金熔体在气雾化设备上进行气雾化，随后得到不同体系前驱体粉末；

6、步骤2，前驱体粉末配比混粉：将步骤1所得前驱体粉末分别以不同比例配比，然后进行混粉或者球磨得到不同b含量的混合粉末；

7、步骤3，粉末处理：将步骤2得到的混合粉末按比例进行铺层、预压成型；

8、步骤4，烧结：将步骤3所得样品进行热压烧结；

9、步骤5，形变热处理：将步骤4所得样品进行形变热处理。

10、进一步的，所述步骤1中设定反应温度为1200℃～1550℃，中间合金熔体保温5min～30min后进行气雾化，得到不同体系的前驱体复合粉末。

11、进一步的，所述步骤4中烧结温度为750℃～1050℃，保温时间为30～90min，烧结压力为30～50mpa。

12、进一步的，所述步骤5中热变形量为0～50％，热变形温度500～900℃，室温变形为0～90％。

13、与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

14、(1)本发明专利结合多种制备技术，通过精确控制hfb2、b、hf和cu的组成比例，以及采用特定的制备工艺，制备出b梯度结构铜基复合材料，可以获得中心高强、表层耐磨的高性能铜基复合材料。

15、(2)本发明梯度铜基复合材料表层具有优异耐磨性，在50n、200r/min摩擦30min过程中摩擦系数极低，同时该复合材料在变形后具有优异力学性能。这种材料具有高强度、高硬度和良好的耐磨性，适用于各种高负荷、高温和高速载流耐磨环境下的应用。

技术特征：

1.一种梯度结构hfb2/cu-hf-b铜基复合材料，其特征在于，中心层由微米hfb2和hf析出后形成的纳米cu5hf相组成，次表层由微米hfb2、纳米hfb2、纳米cu5hf析出相和b相组成，表层由b相组成，其中b相由里到外梯度增加，形成b梯度结构hfb2/cu-hf-b铜基复合材料，所述梯度结构hfb2/cu-hf-b铜基复合材料，按照质量百分比之和100％计，hfb2的质量百分数为0.5～8wt.％，b的质量分数为0～8wt.％，hf的质量分数为0～1.5wt.％，余量为cu。

2.根据权利要求1所述的梯度结构hfb2/cu-hf-b铜基复合材料，其特征在于，根据b相由里到外梯度增加，b含量从中心层到表层呈梯度递增，具体为hfb2/cu-hf:cu-b比例由25:1向1:20梯度变化。

3.一种制备如权利要求1或2所述的梯度结构hfb2/cu-hf-b铜基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中设定反应温度为1200℃～1550℃，中间合金熔体保温5min～30min后进行气雾化，得到不同体系的前驱体复合粉末。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中烧结温度为750℃～1050℃，保温时间为30～90min，烧结压力为30～50mpa。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5中热变形量为0～50％，热变形温度500～900℃，室温变形为0～90％。

技术总结本发明提供了一种梯度结构HfB<subgt;2</subgt;/Cu‑Hf‑B铜基复合材料，该梯度复合材料中心层由微米HfB<subgt;2</subgt;和Hf析出后形成的纳米Cu<subgt;5</subgt;Hf相组成，次表层由微米HfB<subgt;2</subgt;、纳米HfB<subgt;2</subgt;、纳米Cu<subgt;5</subgt;Hf析出相和B相组成，表层由B相组成，其中B相由里到外梯度增加，形成B梯度铜基复合材料。本发明还提供了梯度HfB<subgt;2</subgt;/Cu‑Hf‑B铜基复合材料的制备方法，具体包含：气雾化制备前驱体HfB<subgt;2</subgt;/Cu‑Hf和Cu‑B粉末、按配比混粉或球磨、热压烧结、形变热处理等。本发明所制备的铜基复合材料克服了传统均质块体材料表层组织在摩擦磨损过程中被严重破坏失效问题，通过表层设计具有高耐磨的梯度结构，制备出中心高强、表层耐磨的铜基复合材料。技术研发人员：姜伊辉,高浩,张兴德,杨甜,梁淑华,曹飞,王艳芳受保护的技术使用者：西安理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2