本發明屬于銅微觀復合材料制備技術領域。特別涉及一種高強度高導電性能Cu-Nb合金坯料的制備方法。
背景技術：
高強高導銅基合金是一類具有優良綜合性能的結構功能材料，廣泛應用于電力、電子、冶金、機械等工業領域。現代科學技術的發展對銅基導電材料的綜合性能提出了一系列更高的要求：大規模集成電路引線框架要求材料的抗拉強度高于600MPa，導電率高于80％IACS，隨著電氣化鐵路向高速、重載方向發展，對接觸線/架空線的強度提出了更高的要求，列車時速為350km/h時要求接觸線抗拉強度高于530MPa、導電率超過78％IACS(International Annealed Copper Standard國際退火銅標準)，建造一個100T的脈沖磁場，要求線圈材料的強度高于1500MPa，導電率高于60％IACS。因此，高強度高導電銅基合金材料成為近年來的研究熱點之一。
以Cu-Nb、Cu-Ag為代表的銅微觀復合材料具有較高的導電率和抗拉強度，被磁體專家一致認為是最有可能實現100T脈沖強磁場的導體材料。集束拉拔法制備的Cu-Nb微觀復合材料獲得的超高強度遠遠高于按混合法則計算所得的強度值，且由于Nb在Cu中的固溶度極低，Cu與Nb的彈性性能十分接近，所以還可能獲得高的導電性和韌性，因此Cu-Nb微觀復合材料將成為脈沖強磁場導體材料的研究重點。
Cu-Nb復合材料作為強磁場應用材料，其苛刻的應用環境(強磁場、超高溫高應力等)要求材料具有強度和導電導熱等性能的良好結合。現有的研究表明，當組織結構達到納米尺寸，Cu-Nb復合材料可獲得高強度、高導電性。但是進一步減小尺寸，由于界面運動變形機制的開動，材料可能出現軟化現象，此時Cu-Nb界面的熱穩定性相對塊體材料較弱，強度亦可能下降。目前對這整個過程的強化及軟化機制的認識還未完善。因此提高納米尺度下Cu-Nb界面的穩定性，深入分析研究材料強化機制是未來Cu-Nb復合材料研究領域亟待解決的問題之一。在實際應用領域，國內的某強脈沖實驗室投入使用并突破了90T強磁場大關，但是目前仍然存在一些技術瓶頸有待進一步研究和解決。例如，仍無法實現大批量化，生產周期長，拉拔過程徑向受力差異導致Nb纖維硬化程度不均一等。為解決Cu-Nb合金材料制備領域存在的技術問題，本發明公布了一種直接制備細晶Cu-Nb合金坯料的方法，可通過拉拔、軋制等工藝更加高效地制備出顯微組織細化致納米級別的Cu-Nb合金線材或者帶材。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種高強度高導電性能Cu-Nb合金坯料的制備方法，其特征在于，所述高強度高導電性能Cu-Nb合金為Cu-Nb二元合金，其主要成分為：Cu元素為80-98wt％，Nb元素為2-20wt％；采用固-液雙相凝固結合半固態鑄造技術，并將純鈮粉末加入合金熔體，在快速凝固過程中形成富Nb的固溶體，并通過拉拔、軋制工藝制備出顯微組織細化致納米級別的Cu-Nb合金坯料，其抗拉強度1300-1700MPa，導電率高于75％IACS，該合金坯料的晶粒尺寸為1-30μm，能夠大大提高這種合金絲材、薄帶材料的制備效率。
一種高強度高導電性能Cu-Nb合金坯料的制備方法的具體工藝步驟包括：
(1)合金的熔煉及固-液混合：以純銅錠、純鈮錠、純鈮粉末為原料，其成分組成為純銅錠為80-98wt％，純鈮錠為1-17wt％，純鈮粉末為1-3wt％；其中純鈮粉末的顆粒直徑為0.5-30μm，并且經過還原處理去除其表面氧化物；首先，將純銅錠和純鈮錠混合后加熱至1300-1700℃，使其熔化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且將純鈮粉末加入合金熔體；
(2)熔體攪拌：采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌1-5min，同時將合金熔體溫度降低至1200-1600℃并且保溫10-15min，使合金熔體迅速部分凝固并且形成半固態混合組織；
(3)快速冷卻：上述半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的模具中制備成鑄錠，以100-200℃/min的速度冷卻至室溫，得到高強度高導電性能Cu-Nb合金坯料。
本發明的有益效果是本發明采用固-液雙相凝固結合半固態鑄造技術，在Cu-Nb合金熔體中加入純銅粉末，并且攪拌形成半固態組織，顯著細化合金鑄態顯微組織，并且使Nb更多地固溶與Cu基體中，為后續變形過程中的顯微組織細化工藝奠定了基礎。可以直接制備出晶粒尺寸細小的大規格Cu-Nb合金坯料，能夠一方面大大提高Cu-Nb合金絲材、帶材等制品的加工效率，還能夠制備出更多規格的Cu-Nb合金材料制品，其抗拉強度1300-1700MPa，導電率高于75％IACS，大大拓展了這種材料的應用領域。
具體實施方式
本發明提供一種高強度高導電性能Cu-Nb合金坯料的制備方法，所述高強度高導電性能Cu-Nb合金為Cu-Nb二元合金，其主要成分為：Cu元素為80-98wt％，Nb元素為2-20wt％；采用固-液雙相凝固結合半固態鑄造技術，并且將純鈮粉末加入合金熔體，在快速凝固過程中形成富Nb的固溶體，并通過拉拔、軋制工藝制備出顯微組織細化致納米級別的Cu-Nb合金坯料，其抗拉強度1300-1700MPa，導電率高于75％IACS，該合金坯料的晶粒尺寸為1-30μm，能夠大大提高這種合金絲材、薄帶材料的制備效率。下面列舉實施例予以說明。
實施例1：Cu-2Nb合金
制備Cu-2Nb合金，包括如下步驟：
(1)合金的熔煉及固-液混合：以純銅錠、純鈮錠、純鈮粉末為原料，按照純銅錠為98wt％，純鈮錠為1wt％和純鈮粉末為1％配料，其中所述的純鈮粉末的顆粒直徑為30μm，并且經過還原處理去除其表面氧化物。首先，將純銅錠和純鈮錠混合后加熱至1300℃使其熔化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且將純鈮粉末加入合金熔體；
(2)熔體攪拌：采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌5min，同時將合金熔體溫度降低至1200℃并且保溫15min，使合金熔體迅速部分凝固并且形成半固態混合組織；
(3)快速冷卻：上述半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的模具中制備成鑄錠，以190℃/min的速度冷卻至室溫，得到Cu-2Nb合金；其顯微組織其平均晶粒直徑為30μm，其抗拉強度1300-1700MPa，導電率高于75％IACS。
實施例2：Cu-5Nb合金
制備Cu-5Nb合金，包括如下步驟：
(1)合金的熔煉及固-液混合：以純銅錠、純鈮錠、純鈮粉末為原料，按照純銅錠為95wt％，純鈮錠為4wt％，純鈮粉末為1wt％配料，其中所述的純鈮粉末的顆粒直徑為10μm，并且經過還原處理去除其表面氧化物。首先，將純銅錠和純鈮錠混合后加熱至1400℃使其熔化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且將純鈮粉末加入合金熔體。
(2)熔體攪拌：隨后，立即采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌1-5min，同時將合金熔體溫度降低至1350℃并且保溫15min，使合金熔體迅速部分凝固并且形成半固態混合組織。
(3)快速冷卻：上述半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的模具中制備成鑄錠，以100-200℃/min的速度冷卻至室溫，得到Cu-5Nb合金；其顯微組織其平均晶粒直徑為15μm，其抗拉強度1300-1700MPa，導電率高于75％IACS。
實施例3：Cu-10Nb合金
制備Cu-10Nb合金，包括如下步驟：
(1)合金的熔煉及固-液混合：以純銅錠、純鈮錠、純鈮粉末為原料，按照純銅錠為90wt％，純鈮錠為7wt％，純鈮粉末為3wt％配料，其中所述的純鈮粉末的顆粒直徑為5μm，并且經過還原處理去除其表面氧化物。首先，將純銅錠和純鈮錠混合后加熱至1450℃使其熔化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且將純鈮粉末加入合金熔體；
(2)熔體攪拌：隨后，立即采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌5min，同時將合金熔體溫度降低至1400℃并且保溫15min，使合金熔體迅速部分凝固并且形成半固態混合組織；
(3)快速冷卻：上述半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的模具中制備成鑄錠，以200℃/min的速度冷卻至室溫，得到Cu-5Nb合金；其顯微組織其平均晶粒直徑為10μm，其抗拉強度1300-1700MPa，導電率高于75％IACS。
實施例4：Cu-15Nb合金
制備Cu-15Nb合金，包括如下步驟：
(1)合金的熔煉及固-液混合：以純銅錠、純鈮錠、純鈮粉末為原料，按照純銅錠為85wt％，純鈮錠為12.5wt％，純鈮粉末為2.5wt％配料，其中所述的純鈮粉末的顆粒直徑為2μm，并且經過還原處理去除其表面氧化物。首先，將純銅錠和純鈮錠混合后加熱至1600℃使其熔化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且將純鈮粉末加入合金熔體。
(2)熔體攪拌：隨后，立即采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌5min，同時將合金熔體溫度降低至1500℃并且保溫10min，使合金熔體迅速部分凝固并且形成半固態混合組織。
(3)快速冷卻：上述半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的模具中制備成鑄錠，以180℃/min的速度冷卻至室溫，得到Cu-15Nb合金；其顯微組織其平均晶粒直徑為20μm，其抗拉強度1300-1700MPa，導電率高于75％IACS。
實施例5：Cu-20Nb合金
制備Cu-20Nb合金，包括如下步驟：
(1)合金的熔煉及固-液混合：以純銅錠、純鈮錠、純鈮粉末為原料，按照純銅錠為80wt％，純鈮錠為17wt％，純鈮粉末為3wt％配料，其中所述的純銅粉末的顆粒直徑為1μm，并且經過還原處理去除其表面氧化物。首先，將純銅錠和純鈮錠混合后加熱至1700℃使其熔化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且將純鈮粉末加入合金熔體。
(2)熔體攪拌：隨后，立即采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌5min，同時將合金熔體溫度降低至1600℃并且保溫13min，使合金熔體迅速部分凝固并且形成半固態混合組織。
(3)快速冷卻：上述半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的模具中制備成鑄錠，以200℃/min的速度冷卻至室溫，得到Cu-20Nb合金；其顯微組織其平均晶粒直徑為25μm，其抗拉強度1300-1700MPa，導電率高于75％IACS。