一种高导热耐高温复合铜合金散热材料制备方法与流程

本发明涉及有色金属材料制造领域，尤其涉及一种高导热耐高温复合铜合金散热材料制备方法。

背景技术：

纯铜及铜合金由于极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点，被应用于散热方面，如蒸气轮机、锅炉、飞机喷口等方面，但是铜合金具有较低的软化温度，长期在高温环境中工作，会造成软化变形，无法保证原有的设计结构，存在安全隐患。为提高高温散热铜合金目前存在的问题，本发明提出了一种高导热耐高温复合铜合金的制备方法，本发明设计制造的散热材料，与高温源接触部位采用耐高温铜合金设计，外部采用纯铜设计，在保证高温不变形的同时，具有良好的散热性。

目前在高温工作环境中工作的散热铜合金材料，主要采用的办法是定期更换铜合金散热片，或是牺牲一部分散热性，采用铬锆铜、铜铬铌等材料来保持高温强度特性。但是铬锆铜的耐高温工作环境最高在600度以上，无法在更高温度下使用，铜铬铌成本居高不下，无法满足成本需求。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高导热耐高温复合铜合金散热材料制备方法。

本发明的技术要点为：

一种高导热耐高温复合铜合金散热材料制备方法，主要包括以下步骤：

s1、选择制备高导热耐高温复合散热铜材料的原材料主要包括：粉末粒度为50μm以下，球形度大于80％的纯铜粉和用于提高复合铜合金耐高温性的第二元素，所述第二元素为4-11wt％wc、4-10wt％tic、5-7wt％的vc或5-14wt％cr2nb其中的任意一种，以上第二元素均为陶瓷材料，选取的这些第二元素均为耐高温材料，添加到铜中后，会以纳米晶粒包裹在铜粉表面，经我们研究，这些陶瓷材料不与cu相互溶，有阻止高温下铜的再结晶长大，提高铜合金的软化温度，也就是耐高温性好。同时，少量的纳米颗粒添加，又对铜本身的导电、散热性影响小。

s2、粉末混合预制：将称量好的纯铜粉和第二元素装入气氛保护球磨机中，设置球磨时间为3-8h；

s3、表面熔覆：将所述s2中混好的混合粉装入送粉式激光熔覆设备中，预制一台散热器放置于基台上，然后将送粉式激光熔覆设备抽真空至1000pa以下，根据通过ug所建立的3d建模图型，在散热器高温接触面进行熔覆工作，将激光功率设置在3-20kw之间，步进线速度设置为3m/min,步距设置为0.1-1mm，送粉量设置为1-500g/min，保护气量设置为5-100l/min，每层熔覆厚度设置为0.1-1mm之间，得到预制的复合铜合金散热材料，在溶覆过程中，厚度过大易造成层与层之间由于热应力分层，所以不能每层太厚。如果熔覆太薄，效率会变低，并且下层的基体会被熔化，故熔覆厚度设置为0.1-1mm之间最佳。

s4、机械加工：将预制的复合铜合金散热材料进行热处理，热处理工艺为：热处理温度在400-800度，保温2-4小时，热处理完成后，经精加工，即可得到高导热耐高温复合铜合金散热材料，在激光熔覆时，由于冷却速度过度，材料组织中存在残余应力，容易变形，对材料进行热处理可有利去除内应力。

进一步的，s1中的纯铜粉采用将铜材料超音速雾化后的雾化铜粉，超音速雾化后的雾化铜粉其粉末更加细腻，更能发挥其特性，使制备出的铜合金质量更高。

更进一步的，所述雾化铜粉其粒度在70μm以下，70μm以下的雾化铜粉其具有高性能、烧结活性强和更发达的表面。

进一步的，s2中在进行粉末混合时设置球料比在1-5％之间，保证纳米陶瓷粉末与铜粉充分混合均匀。

进一步的，s3中的散热器外部采用纯铜加工而成，并预留3-10mm表面熔覆尺寸要求，以保证足够的操作空间。

进一步的，所述第二元素wc、tic、vc、cr2nb粉末粒度为均在500nm-5μm之间，使混合更加均匀，配比更加精准，可提高预制出的复合铜合金散热材料的材料性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

第一，本发明在原料的选取上采用雾化铜粉和第二元素wc、tic、vc、cr2nb，其中第二元素均为耐高温的陶瓷材料，添加到铜中后，会以纳米晶粒包裹在铜粉表面，经我们研究，这些陶瓷材料不与cu相互溶，有阻止高温下铜的再结晶长大，提高铜合金的软化温度，也就是耐高温性好。同时，少量的纳米颗粒添加，又对铜本身的导电、散热性影响小。

第二，本发明针对在高温工作环境下对高强高导铜合金的使用需求进行改进，本发明提炼出的高导热耐高温复合散热铜具备的高导热、耐高温铜合金具有在900度以下高温工作不软化变形的特点，可以保证高温条件下的结构强度。

第三，通过在散热器高温接触面进行熔覆工作，且散热器外部采用纯铜加工而成，并预留3-10mm表面熔覆尺寸要求，相比于现有技术而言，本发明的更具备更优的散热性。

第四、本发明以上步骤制备的铜复合散热件，与高温接触面导电率达到80％iacs以上，软化温度可达到700-900℃。

附图说明

图1是本发明的步骤流程图；

图2是实施例一的制备方法制备出的cuwc8耐高温铜合金材料x100倍金相图。

具体实施方式

实施例一：

一种高导热耐高温复合铜合金散热材料制备方法，主要包括以下步骤：

s1、选择制备高导热耐高温复合散热铜材料的原材料主要包括：粉末粒度为50μm以下，球形度大于80％的纯铜粉和用于提高复合铜合金耐高温性的第二元素8wt％wc混合；

s2、粉末混合预制：将称量好的纯铜粉和第二元素wc装入气氛保护球磨机中，设置球磨时间为5；

s3、表面熔覆：将所述s2中混好的混合粉装入送粉式激光熔覆设备中，预制一台散热器放置于基台上，然后将送粉式激光熔覆设备抽真空至800pa，根据通过ug所建立的3d建模图型，在散热器高温接触面进行熔覆工作，将激光功率设置在12kw，步进线速度设置为3m/min,步距设置为0.5mm，送粉量设置为200g/min，保护气量设置为45l/min，每层熔覆厚度设置为0.4mm，得到预制的复合铜合金散热材料。

s4、机械加工：将预制的散热器进行热处理，热处理工艺为：热处理温度在600度，保温3小时，热处理完成后，经精加工，即可得到高导热耐高温复合铜合金散热材料。

s1中的纯铜粉采用更细的铜粉末，将铜材料超音速雾化后的雾化铜粉。

所述雾化铜粉其粒度为55μm。

s2中在进行粉末混合时设置球料比为3％，保证纳米陶瓷粉末与铜粉充分混合均匀。

s3中的散热器外部采用纯铜加工而成，并预留8mm表面熔覆尺寸要求。

所述第二元素wc粉末粒度为800nm。

选取制备出的耐高温铜合金材料作出相关性能参数表1。

表1：本实施例所制备出的复合铜合金散热材料相关性能参数

实施例二：

与所述实施例一不同之处在于本此实施例中加入的第二元素为cr2nb，其含量为12wt％，粉末粒度为800nm。

选取本实施例所选成分制备出的耐高温铜合金材料作出相关性能参数表2。

表2：本实施例所制备出的复合铜合金散热材料相关性能参数：

实施例三：

与所述实施例二不同之处在于本此实施例中加入的第二元素为为6wt％cr2nb。

选取本实施例所选成分制备出的耐高温铜合金材料作出相关性能参数表3。

表3：本实施例所制备出的耐高温铜合金材料相关性能参数：

实施例四：

与所述实施例三不同之处在于本此实施例中加入的第二元素为为5wt％tic。

选取本实施例所选成分制备出的耐高温铜合金材料作出相关性能参数表4。

表4：本实施例所制备出的耐高温铜合金材料相关性能参数：

实施例五：

与所述实施例四不同之处在于本此实施例中加入的第二元素为为6wt％vc。

选取本实施例所选成分制备出的耐高温铜合金材料作出相关性能参数表5。

表5：本实施例所制备出的耐高温铜合金材料相关性能参数：

实施例六：

与所述实施例五不同之处在于本此实施例中加入的第二元素为wc，其含量为4wt％，粉末粒度为800nm。

选取本实施例所选成分制备出的耐高温铜合金材料作出相关性能参数表2。

表6：本实施例所制备出的复合铜合金散热材料相关性能参数：

经过上述实施例和表1-6的数据显示，实施例二中所制备的复合铜合金散热材料cucr8nb4的综合材料性能能最优，cuwc4其导电性能最优，cuwc8的软化温度最高。