本發(fā)明屬于有色金屬加工領(lǐng)域，涉及到一種高強(qiáng)度銅/鈮復(fù)合線(xiàn)材及其制備方法。

背景技術(shù)：

銅鈮復(fù)合材料是一種高性能的功能結(jié)構(gòu)材料，具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于高強(qiáng)磁場(chǎng)、電子電氣、國(guó)防軍工等領(lǐng)域中。隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)關(guān)鍵材料的物理力學(xué)性能提出了更為苛刻的要求。為進(jìn)一步拓寬銅/鈮復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，基于技術(shù)優(yōu)化和改進(jìn)，進(jìn)一步提高銅鈮復(fù)合材料的綜合性能一直備受關(guān)注。

迄今，已研發(fā)了多種銅鈮復(fù)合材料的制備加工技術(shù)。lee等人（actamaterialia，60，1747-1761）通過(guò)累積疊軋制備了銅鈮復(fù)合板材；misra等人（philosophicalmagazine，84，1021-1028）也利用物理氣相沉積技術(shù)制備出了高強(qiáng)度的銅鈮納米薄膜。但上述兩種方法分別用于制備銅鈮復(fù)合板材和薄膜材料，并不適用于生產(chǎn)銅鈮復(fù)合線(xiàn)材。目前，制備銅鈮復(fù)合線(xiàn)材的方法主要有兩種：傳統(tǒng)原位拉拔和集束拉拔。鄧麗萍等（journalofalloysandcompounds，602，331-338；重慶大學(xué)博士論文，2014）指出通過(guò)傳統(tǒng)原位拉拔使材料內(nèi)部的鈮相變成納米尺度的纖維狀，極大的增加了單位體積內(nèi)的銅鈮異質(zhì)界面面積，從而制得高強(qiáng)度銅鈮復(fù)合線(xiàn)材。但傳統(tǒng)原位拉拔技術(shù)制備的銅鈮復(fù)合線(xiàn)材為獲得高強(qiáng)度，必須進(jìn)行極大的塑形變形，這導(dǎo)致材料線(xiàn)徑較小，應(yīng)用材料的尺寸受到限制。此外，集束拉拔技術(shù)也是一種制備銅鈮復(fù)合線(xiàn)材重要手段，梁明等人（cn201110080239.0）通過(guò)多次集束拉拔和熱處理制得了以銅為基體，鈮芯絲為增強(qiáng)體的銅鈮復(fù)合線(xiàn)材。然而，王鵬飛等人（cn201611060545.7）指出，集束拉拔制備的銅鈮復(fù)合線(xiàn)材強(qiáng)度極限在800mpa-900mpa之間，很難進(jìn)一步提升材料的強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

由上述有關(guān)銅/鈮復(fù)合材料的制備技術(shù)資料可知，為制備高性能的銅鈮復(fù)合線(xiàn)材，有待于進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化其制備加工技術(shù)，解決其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。基于此，本專(zhuān)利通過(guò)一種新方法制備銅/鈮復(fù)合線(xiàn)材。該方法是通過(guò)多次包覆、拉拔和退火制備多層包覆的單芯銅鈮復(fù)合線(xiàn)材，使線(xiàn)材中銅、鈮由內(nèi)至外呈交替排列，以此增大單位面積內(nèi)的銅鈮異質(zhì)界面密度，制得高強(qiáng)度的銅鈮復(fù)合線(xiàn)材。此方法操作簡(jiǎn)單且安全。

本發(fā)明的目的在于提出一種銅/鈮復(fù)合線(xiàn)材的制備方法。該方法以純銅和純鈮作為原材料，所制備銅鈮復(fù)合線(xiàn)材的特點(diǎn)是鈮和銅由內(nèi)至外呈層狀交替排列，包覆鈮芯。通過(guò)多層包覆和反復(fù)拉拔，不但可以獲得納米尺度的銅鈮層狀組織，而且使得銅鈮界面密度的增大。由于銅、鈮相的納米尺度效應(yīng)以及材料界面強(qiáng)化效果的增強(qiáng)，使得銅/鈮復(fù)合線(xiàn)材獲得高強(qiáng)度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種高強(qiáng)度銅鈮復(fù)合線(xiàn)材的制備方法，包括如下步驟：

1)以純鈮圓棒為棒芯，將棒芯放入無(wú)氧銅圓管中；對(duì)組裝后銅鈮復(fù)合棒進(jìn)行拉拔加工，加工率不低于50%，得到一次復(fù)合單芯銅鈮棒材；

2)將復(fù)合單芯銅鈮棒材置于氮?dú)獗Ｗo(hù)的加熱爐中，在400℃溫度下保溫1h，以消除材料的加工硬化效果；

3)將步驟2）所述的銅鈮復(fù)合棒依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理；隨后，將酸洗后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干；

4)以清洗后的銅鈮復(fù)合棒作為棒芯，先將棒芯放入純鈮管中，隨后將組合后的棒芯和純鈮管裝入無(wú)氧銅管中；對(duì)組裝后的銅鈮復(fù)合棒進(jìn)行拉拔加工，得到二次復(fù)合單芯銅鈮棒材；

5)將二次復(fù)合銅鈮棒材置于氫氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)的加熱爐中，在200-600℃溫度下保溫1-2h，以消除材料的加工硬化效果，便于后續(xù)拉拔；

6)對(duì)熱處理后的二次復(fù)合銅鈮棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理；隨后，將酸洗后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干；

7)重復(fù)步驟4）至步驟6）的操作若干次，通過(guò)累積拉拔以制備多次復(fù)合單芯銅鈮棒材；將所述多次復(fù)合銅鈮棒材進(jìn)行拉拔，加工率不低于80%，拉拔至成品尺寸；

8)將經(jīng)拉拔后的銅鈮復(fù)合棒材放在氫氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)的退火爐中，在200℃-900℃條件下保溫30-180min后，冷卻至室溫取出；

9)將熱處理后的銅鈮復(fù)合棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理；隨后，將酸洗后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干，即制成銅、鈮交替包覆鈮芯的高強(qiáng)度銅鈮復(fù)合線(xiàn)材。

進(jìn)一步，所述銅管尺寸為外徑10mm-60mm，壁厚5mm-30mm；所述鈮管尺寸為外徑20mm-40mm，壁厚2mm-10mm。

進(jìn)一步，所述高強(qiáng)度銅鈮復(fù)合線(xiàn)材的拉拔的總加工率為70%-99%。

進(jìn)一步，所述銅管、鈮棒和鈮管質(zhì)量純度均不低于99.9%。

進(jìn)一步，拉拔態(tài)復(fù)合材料棒芯的直徑應(yīng)略小于鈮管的內(nèi)徑，鈮管的外徑應(yīng)略小于銅管的內(nèi)徑。

進(jìn)一步，所述高強(qiáng)度銅鈮復(fù)合線(xiàn)材拉拔的次數(shù)大于8次。

進(jìn)一步，步驟1）和步驟4）中所述棒芯的直徑大于外層無(wú)氧銅管直徑的10%。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種高強(qiáng)度銅鈮復(fù)合線(xiàn)材，復(fù)合線(xiàn)材的中心為鈮芯，所述鈮芯外間隔包覆若干層銅層管和鈮層管。

進(jìn)一步，內(nèi)層所述銅層管和鈮層管的壁厚小于外層銅層管和鈮層管的壁厚。

進(jìn)一步，最外層所述銅層管和鈮層管的壁厚之和大于復(fù)合材料半徑的20%。

進(jìn)一步，所述鈮芯的直徑大于復(fù)合材料直徑的10%。

進(jìn)一步，拉拔態(tài)復(fù)合材料棒芯的直徑應(yīng)略小于鈮管的內(nèi)徑（差值不大于0.5mm），鈮管的外徑應(yīng)略小于銅管的內(nèi)徑（差值不大于0.5mm）。

進(jìn)一步，所述酸洗試劑為稀硝酸，硝酸的體積百分?jǐn)?shù)均為10%-25%。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明通過(guò)多次裝配-拉拔制備單芯多層包覆銅鈮復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了材料內(nèi)部中交替排列銅、鈮包覆層的納米化，同時(shí)促使銅鈮異質(zhì)界面的數(shù)量急劇增多，從而提高材料強(qiáng)度。該方法操作方便，實(shí)施簡(jiǎn)單。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本申請(qǐng)?zhí)峁┑你~/鈮復(fù)合線(xiàn)材，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到650～1000mpa，電導(dǎo)率為50～75%iacs，可用作脈沖磁體的導(dǎo)體材料。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的制備方法流程圖；

圖2為本發(fā)明材料制備加工示意圖；

圖3為本發(fā)明銅鈮復(fù)合材料拉拔后的橫截面組織示意圖。

圖中：1、鈮層；2、銅層。

具體實(shí)施方式

下面利用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的說(shuō)明。本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實(shí)施例。

實(shí)施例1

規(guī)格為φ5mm的銅鈮單芯復(fù)合棒材的制備：

如圖1、圖2所示，銅鈮單芯復(fù)合棒材的制備，具體按以下步驟實(shí)施：

1）以直徑為φ10mm、長(zhǎng)度為2000mm的純鈮棒為芯棒，將鈮棒坯放入外徑φ25mm、壁厚7.5mm、長(zhǎng)度為2000mm的無(wú)氧銅管中；鈮棒坯與無(wú)氧銅管間隙配合。對(duì)組裝后銅鈮復(fù)合棒進(jìn)行拉拔加工，得到直徑為φ5mm一次復(fù)合單芯銅鈮棒材。為了保證復(fù)合棒材的強(qiáng)度，該步驟中純鈮棒的芯棒直徑至少應(yīng)大于無(wú)氧銅管外徑的10%。

2）將復(fù)合單芯銅鈮棒材置于氮?dú)獗Ｗo(hù)的加熱爐中，在400℃溫度下保溫1h，以消除材料的加工硬化效果。

3）將步驟2）所述的銅鈮復(fù)合棒進(jìn)行剪切，截取長(zhǎng)度為2000mm的銅鈮復(fù)合棒并對(duì)其進(jìn)行矯直。隨后，在稀硝酸中進(jìn)行酸洗處理，并將酸洗處理后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干。

4）以清洗后直徑為φ5mm的銅鈮復(fù)合棒作為棒芯，先將棒芯放入外徑為φ10mm、壁厚2.5mm、長(zhǎng)度為2000mm的純鈮管中；銅鈮復(fù)合棒與純鈮管之間為間隙配合。隨后，將組合后的棒芯和純鈮管裝入外徑φ25mm、壁厚7.5mm、長(zhǎng)度為2000mm的無(wú)氧銅管中；純鈮管與無(wú)氧銅管之間也是間隙配合。對(duì)組裝后的銅鈮復(fù)合棒進(jìn)行拉拔加工，得到直徑為φ5mm的二次復(fù)合單芯銅鈮棒材。棒芯的直徑需要大于無(wú)氧銅管直徑的10%；本實(shí)施例中棒芯的直徑為無(wú)氧銅管直徑的20%。本實(shí)施例中純鈮管的壁厚大于無(wú)氧銅管壁厚的30%；為了獲得足夠的強(qiáng)度，純鈮管的壁厚應(yīng)至少大于無(wú)氧銅管壁厚的10%。

5）將二次復(fù)合銅鈮棒材置于氮?dú)獗Ｗo(hù)的加熱爐中，在400℃溫度下保溫1h，以消除材料的加工硬化效果。

6）對(duì)熱處理后的二次復(fù)合銅鈮棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理，并將酸洗后直徑為φ5mm、長(zhǎng)度為2000mm的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干。

7）重復(fù)步驟4）至步驟6）的操作，重復(fù)操作的次數(shù)為8次，通過(guò)累積拉拔以制備出直徑為φ5mm的多層包覆單芯銅鈮復(fù)合棒材。為表達(dá)方便，圖3中示出的是經(jīng)初始拉拔和3次嵌套拉拔的結(jié)果。

步驟8）將拉拔后的銅鈮復(fù)合棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理。并將酸洗后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干，即制成直徑為φ5mm的如圖3所示的多層銅、鈮交替包覆鈮單芯復(fù)合棒材。經(jīng)測(cè)定材料的平均強(qiáng)度為696mpa，常溫下電導(dǎo)率為76.5%iacs。最外層的銅層和鈮層的壁厚之和為2mm，超過(guò)復(fù)合棒材半徑的75%。

實(shí)施例2

與實(shí)施例1基本相同，區(qū)別為：

步驟7）重復(fù)步驟4）至步驟6）的操作，重復(fù)操作的次數(shù)為9次，最后一次，將多層包覆單芯銅鈮復(fù)合棒材拉拔至直徑為φ1mm。

步驟8）將拉拔后的銅鈮復(fù)合棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理，并將酸洗后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干，即制成直徑為φ1mm的多層銅、鈮交替包覆鈮單芯復(fù)合棒材。經(jīng)測(cè)定材料的平均強(qiáng)度為836mpa，常溫下電導(dǎo)率為71.3%iacs。

實(shí)施例3

與實(shí)施例2基本相同，區(qū)別為：

步驟8）將經(jīng)步驟7）處理的銅鈮復(fù)合棒材放在氮?dú)獗Ｗo(hù)的退火爐中，在300℃條件下保溫60min，然后冷卻至室溫取出。

步驟9）將成品退火后的銅鈮復(fù)合棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理，并將酸洗后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干，即制成直徑為φ1mm的多層銅、鈮交替包覆鈮單芯復(fù)合棒材。經(jīng)測(cè)定材料的平均強(qiáng)度為776mpa，常溫下電導(dǎo)率為74.9%iacs。

實(shí)施例4

與實(shí)施例3基本相同，區(qū)別為：

步驟8）將經(jīng)步驟7）處理的銅鈮復(fù)合棒材放在氮?dú)獗Ｗo(hù)的退火爐中，在600℃條件下保溫60min，然后冷卻至室溫取出。

步驟9）將成品退火后的銅鈮復(fù)合棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理，并將酸洗后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干，即制成直徑為φ1mm的多層銅、鈮交替包覆鈮單芯復(fù)合棒材。經(jīng)測(cè)定材料的平均強(qiáng)度為748mpa，常溫下電導(dǎo)率為75.6%iacs。

實(shí)施例5

與實(shí)施例3基本相同，區(qū)別為：

步驟7）重復(fù)步驟4）至步驟6）的操作，重復(fù)操作的次數(shù)為15次，通過(guò)累積拉拔以制備直徑為φ5mm的多層包覆單芯銅鈮復(fù)合棒材。

步驟8）將多次復(fù)合銅鈮棒材進(jìn)行拉拔，拉拔至直徑為φ1mm。

步驟9）將經(jīng)步驟8）處理的銅鈮復(fù)合棒材放在氮?dú)獗Ｗo(hù)的退火爐中，在300℃條件下保溫60min，然后冷卻至室溫取出。

步驟10）將成品退火后的銅鈮復(fù)合棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理，并將酸洗后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干，即制成直徑為φ1mm的多層銅、鈮交替包覆鈮單芯復(fù)合棒材。經(jīng)測(cè)定材料的平均強(qiáng)度為849mpa，常溫下電導(dǎo)率為70.6%iacs。

實(shí)施例6

與實(shí)施例5基本相同，區(qū)別為：

步驟7）重復(fù)步驟4）至步驟6）的操作，重復(fù)操作的次數(shù)為20次，通過(guò)累積拉拔以制備直徑為φ5mm的多層包覆單芯銅鈮復(fù)合棒材。

步驟10）將成品退火后的銅鈮復(fù)合棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理，并將酸洗后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干，即制成直徑為φ1mm的多層銅、鈮交替包覆鈮單芯復(fù)合棒材。經(jīng)測(cè)定材料的平均強(qiáng)度為947mpa，常溫下電導(dǎo)率為69.1%iacs。

實(shí)施例7

與實(shí)施例6基本相同，區(qū)別為：

步驟1）以直徑為φ15mm長(zhǎng)度為2000mm的純鈮棒為芯棒，將鈮棒坯放入外徑φ30mm、壁厚7.5mm、長(zhǎng)度為2000mm的無(wú)氧銅管中。對(duì)組裝后銅鈮復(fù)合棒進(jìn)行拉拔加工，得到直徑為φ10mm一次復(fù)合單芯銅鈮棒材。

步驟4）以清洗后直徑為φ10mm的銅鈮復(fù)合棒作為棒芯，先將棒芯放入外徑為φ15mm、壁厚2.5mm、長(zhǎng)度為2000mm的純鈮管中。隨后，將組合后的棒芯和純鈮管裝入外徑φ30mm、壁厚7.5mm、長(zhǎng)度為2000mm的無(wú)氧銅管中。對(duì)組裝后的銅鈮復(fù)合棒進(jìn)行拉拔加工，得到直徑為φ10mm的二次復(fù)合單芯銅鈮棒材。

步驟7）重復(fù)步驟4）至步驟6）的操作，重復(fù)操作次數(shù)為15次，通過(guò)累積拉拔以制備直徑φ10mm、長(zhǎng)度2000mm的多層包覆單芯銅鈮復(fù)合棒材。

步驟8）將多次復(fù)合銅鈮棒材進(jìn)行拉拔，拉拔至直徑為φ1mm。

步驟9）將經(jīng)步驟7）處理的銅鈮復(fù)合棒材放在氮?dú)獗Ｗo(hù)的退火爐中，在300℃條件下保溫60min，然后冷卻至室溫取出。

步驟10）將成品退火后的銅鈮復(fù)合棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理，并將酸洗后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干，即制成直徑為φ1mm的多層銅、鈮交替包覆鈮單芯復(fù)合棒材。經(jīng)測(cè)定材料的平均強(qiáng)度為923mpa，常溫下電導(dǎo)率為72.2%iacs。最外層的銅層和鈮層的壁厚之和為0.33mm，超過(guò)復(fù)合棒材半徑的60%。

實(shí)施例8

與實(shí)施例7基本相同，區(qū)別為：

步驟8）以清洗后直徑為φ10mm的銅鈮復(fù)合棒作為棒芯，先將棒芯放入外徑為φ25mm、壁厚7.5mm、長(zhǎng)度為2000mm的純鈮管中。隨后，將組合后的棒芯和純鈮管裝入外徑φ40mm、壁厚7.5mm、長(zhǎng)度為2000mm的無(wú)氧銅管中。對(duì)組裝后的銅鈮復(fù)合棒進(jìn)行拉拔加工，得到直徑為φ10mm的二次復(fù)合單芯銅/鈮棒材。

步驟9）將二次復(fù)合銅/鈮棒材置于氮?dú)獗Ｗo(hù)的加熱爐中，在400℃溫度下保溫1h，以消除材料的加工硬化效果。

步驟10）對(duì)熱處理后的二次復(fù)合銅/鈮棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理，并將酸洗后直徑為φ10mm、長(zhǎng)度為2000mm的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干。

步驟11）重復(fù)步驟8)至步驟10)的操作，重復(fù)操作次數(shù)為20次，通過(guò)累積拉拔以制備直徑φ10mm、長(zhǎng)度2000mm的多層包覆單芯銅/鈮復(fù)合棒材。

步驟12）以清洗后直徑為φ10mm的銅鈮復(fù)合棒作為棒芯，先將棒芯放入外徑為φ15mm、壁厚2.5mm、長(zhǎng)度為2000mm的純鈮管中。隨后，將組合后的棒芯和純鈮管裝入外徑φ30mm、壁厚7.5mm、長(zhǎng)度為2000mm的無(wú)氧銅管中。對(duì)組裝后的銅鈮復(fù)合棒進(jìn)行拉拔加工，得到直徑為φ10mm的二次復(fù)合單芯銅/鈮棒材。

步驟13）將二次復(fù)合銅/鈮棒材置于氮?dú)獗Ｗo(hù)的加熱爐中，在400℃溫度下保溫1h，以消除材料的加工硬化效果。

步驟14）對(duì)熱處理后的二次復(fù)合銅/鈮棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理，并將酸洗后直徑為φ10mm、長(zhǎng)度為2000mm的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干。

步驟15）重復(fù)步驟12）至步驟14）的操作，重復(fù)操作次數(shù)為5次，通過(guò)累積拉拔以制備直徑φ10mm、長(zhǎng)度2000mm的多層包覆單芯銅/鈮復(fù)合棒材。

步驟16）將多次復(fù)合銅/鈮棒材進(jìn)行拉拔，拉拔至直徑為φ1mm。

步驟17）將經(jīng)步驟15處理的銅/鈮復(fù)合棒材放在氮?dú)獗Ｗo(hù)的退火爐中，在300℃條件下保溫60min，然后冷卻至室溫取出。

步驟18）將成品退火后的銅/鈮復(fù)合棒材依次進(jìn)行剪切、矯直和酸洗處理，并將酸洗后的銅鈮復(fù)合棒脫水并烘干，即制成直徑為φ1mm的多層銅、鈮交替包覆鈮單芯復(fù)合棒材。經(jīng)測(cè)定材料的平均強(qiáng)度為987mpa，常溫下電導(dǎo)率為74.6%iacs。

上述示例只是用于說(shuō)明本發(fā)明，除此之外，還有多種不同的實(shí)施方式，而這些實(shí)施方式都是本領(lǐng)域技術(shù)人員在領(lǐng)悟本發(fā)明思想后能夠想到的，故，在此不再一一列舉。