真空热压烧结CuAl2O3热变形行为研究

张晓伟+孙静静

摘要： 采用真空热压烧结法制备CuAl2O3复合材料，并在Gleeble1500D热模拟机上对其进行高温压缩试验.阐述了内氧化原理，分析了真空热压烧结制备的铜基复合材料的微观组织和材料性能，研究了在变形温度为650～950 ℃，变形速率为0.01～5 s-1，最大真应变为0.7时的流变应力行为.结果表明：变形温度和变形速率对流变应力的影响较大，随着变形温度的升高和应变速率的减小，峰值应力逐渐减小.采用双曲线正弦模型建立了材料高温变形时的流变应力本构方程，确定热变形激活能为220.7 kJ/mol.

关键词： CuAl2O3复合材料； 热压缩变形； 流变应力； 本构方程

中图分类号： TB 333文献标志码： A

Hot Compression Deformation Behavior and Established

Constitutive Equations of CuAl2O3 Composites

Prepared by Vacuum Hotpress Sintered

ZHANG Xiaowei，SUN Jingjing

（SIPPR Engineering Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450007， China）

Abstract： CuAl2O3 composites were fabricated by vacuum hotpressing sintering technique.Internal oxidation principle，microstructure and material properties of the composites were investigated.High temperature compression tests were carried out by using Gleeble1500D thermal simulation apparatus.The flow stress behavior at deformation temperature of 650950 ℃，deformation rate of 0.015 s-1 and maximum true strain of 0.7 was studied.The results indicated that deformation temperature and strain rate had great influence on flow stress.With the increase of deformation temperature and the decrease of strain rate，the peak stress decreased.Using hyperbolic sine model，flow stress constitutive equation at hightemperature was established.The thermal activation energy was determined to be 220.7 kJ/mol.

Keywords： CuAl2O3 composite； hot compression deformation； flow stress； constitutive equations

CuAl2O3复合材料是一类具有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，已广泛应用于电力、机械等工业领域.目前国内外对CuAl2O3复合材料的制备工艺有较多的报道[1-2]，而对其热变形行为的研究还不够丰富.材料热变形过程中的高温流变应力是表征材料塑性变形的一个基本量[3-5]，而它的大小决定了变形的难易程度，对材料的热加工性能有直接影响.

1.1试验材料及工艺参数

试验材料为采用真空热压烧结方法制得的CuAl2O3复合材料，成分配比（质量分数，下同）为：95%（Cu0.44%Al粉）+5%（Cu2O粉）.真空热压烧结工艺参数为：950 ℃×2 h，压力30 MPa.

将试验所制锭坯加工成8 mm×12 mm的圆柱试样，在Gleeble1500D热模拟试验机上进行等温单道次压缩试验.变形前将试样两端涂上石墨粉进行润滑，以减少摩擦阻力对应力的影响.压缩变形温度为650～950 ℃；应变速率为0.01～5 s-1；压缩最大应变量为0.7（最大变形率为50%）.以10 ℃/s的速度进行升温，变形前保温3 min.

1.2制备原理

试验以Cu2O粉作为供氧介质，与CuAl合金粉以及W粉进行充分混合，進行烧结内氧化.在一定的温度和气氛条件下，分解成的活性[O]原子吸附于CuAl合金粉的颗粒表面；活性[O]原子在基体中扩散并与其中的Al发生择优氧化生成Al2O3，得到Al2O3弥散强化Cu复合材料.在此过程中，由于[O]在Cu中的扩散系数相比Al在Cu中的扩散系数要大得多，可以认为是原位生成了Al2O3.

完全氧化是指：

（1） 以下两个反应进行彻底

2Cu2O4Cu+O2（1）

4Al+3O22Al2O3（2）

由式（1）（2）得：

3Cu2O+2AlAl2O3+6Cu（3）

（2） 没有剩余的[O]

采用Al质量分数为0.44%的CuAl合金粉，按照式（3）计算可得：将0.44%Al完全氧化所需的Cu2O比例约为原CuAl合金质量的3.52%.考虑上述原因并参考文献资料，本试验采用质量分数为5%的Cu2O配制复合材料.

内氧化反应包含两个步骤：首选是[O]遵循扩散定律，通过吸附、溶入等扩散方式进入基体内部；然后进入基体内部的[O]与CuAl合金粉中的Al反应生成Al2O3.将合金粉末放入密闭的容器中，升温并降低氧的压强，使Cu2O分解释放出活性[O]，与CuAl合金中的Al发生反应生成Al2O3[6].

化学反应需要有较大的热激活能，激活能越大越容易发生原子迁移，温度的升高使扩散系数增大.内氧化过程中，分解出的[O]从外部扩散进入基体内部，与基体内的Al发生反应生成Al2O3.氧化过程遵循扩散定律，对[O]在氧化层中的扩散系数及表面含氧量的影响，是温度对内氧化进程影响的主要表现.所以内氧化温度越高，[O]的扩散速度就越大，向内部迁移的速度就越快，扩散系数进而随之增大，Al+[O]Al2O3的反应速度就越大[6].但是温度并不是越高越好.试验所选取的内氧化烧结温度，综合考虑了Cu的熔点和化学反应等因素，通常选取的内氧化温度范围为850～1 000 ℃.内氧化温度高，较有利于生成αAl2O3及Al2O3同素异构的转化.若内氧化温度过低，将会使氧化不彻底，析出的Al2O3的数量较少，不具实际意义[6].因此选取合适的内氧化温度，既要保证大量细小的Al2O3的形成，又能获得高的化学反应速率，缩短内氧化周期.本试验选取烧结内氧化温度为950 ℃.

2结果及分析

2.1材料性能及组织分析

在制备过程中，金属颗粒在某种程度上与液体性质相似，即各向流动，从而对模具内壁产生一定的侧压力.但由于粉末颗粒之间的摩擦力随着压制力的增加而不断增大，也使得压力在粉末之间的传递逐渐减小，压力大小的不均匀使得压制的毛坯密度也具有不均匀性，从而表现出硬度在不同位置具有一定的差异.图1所示为毛坯在横截面上硬度的分布情况.

2.2复合材料热压缩变形的真应力真应变曲线

图3为CuAl2O3复合材料的应力应变曲线.由图3可以看出，在试验条件下，复合材料的真应力真应变曲线均呈明显的稳态流变特征：即在刚开始形变时，流变应力随变形量的增大而极速增大，当出现峰值应力后应力开始缓慢下降，不随真应变的增大而发生显著变化，最后进入稳态阶段，并且应变速率越小，应力值下降越明显.这是因为在峰值应力出现之前，随着变形量的增大，位错不断增多，新增的位错阻碍了原有位错的运动，从而呈现加工硬化现象.由于材料基体中的弥散强化Al2O3颗粒极为细小，能够明显提高位错及亚晶界运动的阻力，使位错及亚晶界在再结晶时迁移困难，再结晶形核受到抑制；同时在晶界上的Al2O3颗粒也将在晶界处钉扎，阻碍晶粒长大，从而使峰值应力升高，提高了复合材料的抗软化性能.当变形量进一步增大，晶

内储存能的水平不断升高，达到峰值应变后，出现动态再结晶现象，软化速率大于加工硬化速率，使得流变应力逐渐下降，材料呈现软化状态.当动态再结晶完成后，流变应力不随变形量的增大而显著变化，达到了稳态阶段.

在相同应变速率下，CuAl2O3复合材料的流变应力随着温度的升高而显著下降，如图3所示.金属的高温变形是一个热激活过程，温度升高会使热激活过程不断增强，这时位错也具有足够的能量用来克服金属变形对它的钉扎现象，活动能力增强.空位、间隙原子等点缺陷也异常活跃，从而出现动态软化降低流变应力.而在相同变形温度下，流变应力随着变形速率的增大而明显增大，说明该复合材料在试验条件下具有正的应变速率敏感性[6-9，13-15].即温度越低，应变速率越小，材料变形抗力也越大，复合材料达到稳态变形就更加困难.

2.3热压缩流变应力方程

Zenerhollomon参数（简称Z参数）综合了材料的热加工变形条件，可表示热变形过程中的变形应力，变形温度和应变速率之间的关系[7，9].表达式如下：

Z=ε·exp（Q/RT）（4）

式中：Z为温度补偿的应变速率因子；σ为高温流变应力；ε·为应变速率；T为热力学温度；R为气体常数；Q为热变形激活能.

在大量的研究结果基础上，提出了包含应力、应变速率和变形温度参数的双曲线正弦方程来描述热变形行为[8-10].表达式为：

ε·=A[sinh（ασ）]nexp（-Q/RT）（5）

综合式（4）和式（5）得：

Z=ε·exp（Q/RT）=A[sinh（ασ）]n（6）

式中：A为结构因子；α为应力水平参数；n为应力指数.

假定Q与温度无关，对式（6）两边取对数，并求导可得：

Q=Rln[sinh（ασ）]（1/T）ε·lnε·ln[sinh（ασ）]T（7）

式中：Rln[sinh（ασ）]（1/T）为ln[sinh（ασ）]-1/T关系曲线的斜率；ε·lnε·ln[sinh（ασ）]T为ln[sinh（ασ）]-lnε·關系曲线的斜率[8-12].

取相应的Q与T，求得对应的Z值，再与峰值应力一并代入式（7）中，经线性回归计算绘出ln[sinh（ασ）]-lnZ关系曲线，如图5所示.图中截距和斜率分别为lnA和n，可得n=5.219 57，A=2.752 6×108，相关系数达到0.988.结果表明：ln[sinh（ασ）]-lnZ关系曲线能很好地满足线性函数关系，即复合材料高温压缩时的应力规律服从含Z参数的双曲线正弦函数形式[6，13-15].将所得参数代入式（5）能够得到试验热压缩流变应力方程为：

3结论

（1） Cu基复合材料CuAl2O3在加工温度为650～950 ℃、应变速率为0.01～5 s-1的试验条件下，存在稳态流变的特征，呈显著的动态再结晶应力应变曲线.变形温度和应变速率对材料的流变应力和相应的峰值应力值变化有较大的影响.

（2） 采用双曲线正弦模型描述了材料高温压缩变形时的流变应力现象，获得平均热激活能：Q=220.7 kJ/mol.并建立了描述流变应力、变形温度和应变速率关系的方程式：ε·=2.752 6×108[sinh（0.013 072 516σ）]5.219 57exp-220.712 70×103RT.

参考文献：

[1]刘平，田保红，赵冬梅.铜合金功能材料[M].北京：科学出版社，2004.

[2]石子源，王德庆.Al2O3表面弥散铜基导电材料的制备[J].功能材料，2002，33（4）：381-383.

[3]POIRlER J P.晶体的高温塑性变形[M].关德林，译.大连：大连理工大学出版社，1989.

[4]周洪雷，田保红，刘平，等.Al2O3弥散强化Cu25%Cr复合材料的机械变形及性能[J].材料热处理学报，2008，29（5）：13-17.

[5]ZENER C，HOLLOMON J H.Effect of strainrate upon the plastic flow of steel[J].J Appl Phys，1944，15（1）：22-27.

[6]张晓伟.真空热压烧结W/CuAl2O3复合材料的制备及热变形行为研究[D].洛阳：河南科技大学，2011.

[7]SELLARS C M.Modelling microsmlctural development during hot rolling[J].Mater Sci Technol，1990，16（11）：1072-1078.

[8]羅皎，李淼泉，李宏，等.TC4钛合金高温变形行为及其流动应力模型[J].中国有色金属学报，2008，18（8）：1395-1401.

[9]CERRI E，SPIGARELLI S，EVANGELISTA E，et al.Hot deformation and processing maps of a particulatereinforced 6061+20%Al2O3 composite[J].Mater Sci Eng A，2002，A324（1-2）：157-161.

[10]张晓伟，田保红，张毅，等.真空热压烧结W（50）/CuAl2O3的热压缩变形行为[J].材料热处理学报，2011，32（8）：41-46.

[11]李慧中，梁宵鹏，张新明，等.2519铝合金热变形组织演化[J].中国有色金属学报，2008，18（2）：226-230.

[12]毛卫民，赵新兵.金属的再结晶与晶粒长大[M].北京：冶金工业出社，1994.

[13]李信，彭军，龙剑平，等.真空热压烧结法制备金刚石/AlCu基复合材料[J].特种铸造及有色合金，2015，35（12）：1295-1298.

[14]李新，田保红，任凤章，等.内氧化法制备CuAl2O3薄板复合材料及其重熔后的组织性能[J].材料热处理学报，2016，37（5）：22-27.

[15]李艳，刘勇，田保红，等.Cu0.4Zr0.15Ce合金热压缩力学行为及热加工图[J].中国稀土学报，2016，34（2）：221-228.有色金属材料与工程第38卷第3期NONFERROUS METAL MATERIALS AND ENGINEERINGVol.38No.32017