专利权人：江西理工大学，赣南实验室鹰潭中心
发明人：梁杰斌; 袁大伟; 雷怡飞; 杨骁毅; 时雨凡; 刘惠林; 肖翔鹏; 黄浩
发明名称：一种含钴和磷的耐高温高导电铜基合金及其制备方法
摘要
本发明公开了一种含钴和磷的耐高温高导电铜基合金及其制备方法，该铜合金的成分按质量百分比为：Co：0.01~0.15%，P：0.002~0.02%，Cu：99.86~99.91%，O≤5ppm；其制备方法包括：真空熔铸、均匀化处理、热变形、大变形量冷加工、以及先低温后高温的分级退火。本发明通过在超高纯铜基体中精准引入微量Co和P，并利用特定工艺，在基体内同步形成≥80%的再结晶织构和弥散分布的纳米Co2P析出相。二者协同作用，从宏观和微观尺度极大抑制了材料在高温下的晶粒粗化，从而在基本不损失导电性的前提下，获得了卓越的高温微观结构稳定性和力学性能保持率，特别适用于高温工况下的电力电子和航空航天领域。
背景技术
无氧铜因其极高的导电性和导热性是电子信息、高端通信和航空航天等领域的关键基础材料。然而，随着应用场景的极端化，如电动汽车功率模块（工作温度可达150‑200 °C，温度峰值时会达到更高的温度）和火箭发动机绕组，传统无氧铜的短板日益凸显，例如，其在高温下强度和硬度会显著降低，更关键的是，在长期热暴露下，其微观组织会发生再结晶和晶粒粗化。
晶粒粗化会带来两个严重后果：一、力学性能进一步恶化，导致材料在热性能和机械应力下易发生蠕变或疲劳失效；二、粗大的晶界会成为电子散射中心，并可能成为裂纹萌生的起点，导致导电性和力学性能的稳定性下降。
现有技术中，通过固溶强化（如添加Ag）或析出强化（如添加Cr、Zr）来提升铜合金的高温性能，但这些方法会严重牺牲导电性。另一种思路是进行剧烈的塑性变形以细化晶粒，但其效果在高温下难以维持，组织一旦发生再结晶，性能便会迅速衰减。因此，如何在基本不损害无氧铜优异导电性的前提下，大幅提升其高温组织稳定性，成为本领域一个亟待解决的技术难题。
发明内容
该发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种含钴和磷的耐高温高导电铜基合金及其制备方法。该材料通过在超高纯度铜基体中精确添加微量的钴（Co）和磷（P）元素，并经过一套精心设计的大变形量冷加工与分级退火工艺，在基体内同时实现再结晶织构和弥散分布的纳米级Co2P析出相，从宏观和微观两个尺度协同抑制高温下的晶粒粗化，从而在基本不损失导电性的前提下，获得优异的高温稳定性。
本发明简单简述发明内容，为实现上述目的，该发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种含钴和磷的耐高温高导电铜基合金，以质量百分比计，由以下成分组成：
Co：0.01-0.15%，P：0.002-0.02%，Cu：≥99.99%，O：≤5ppm，余量为不可避免的杂质；
微观组织：包含≥80%的再结晶纤维织构，以及弥散分布、尺寸为2~20 nm的纳米级Co2P析出相。
性能指标：室温导电率≥98% IACS；耐高温性能优异，500℃保温100小时后晶粒尺寸长大率不超过20%。
第二方面，本发明提供一种含钴和磷的耐高温高导电铜基合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、微合金化与熔铸：采用真空感应熔炼，先熔化高纯铜与Cu-Co中间合金，降温后再加入Cu-P中间合金进行精炼，最后浇铸获得致密铸锭。
步骤二、均匀化处理：在500~600℃下保温1~6小时并缓冷，以消除铸锭内部的枝晶偏析和残余应力。
步骤三、热变形加工：在350~500℃下进行热轧（总变形量70%~85%）或热挤压，并配合快速冷却。
步骤四、大变形量冷加工：通过冷轧或冷拉拔实现≥95%的总变形量，形成强烈变形织构和大量晶体缺陷。
步骤五、分级退火（核心环节）：
第一阶段（低温退火）：在400~500℃保温10~60分钟，诱发不完全再结晶形成纤维织构，并使纳米Co2P相初步形核。
第二阶段（高温稳定化退火）：在550~650℃保温1~3小时，使再结晶织构充分发展并稳定化（占比≥80%），同时促使纳米Co2P相充分析出并达到最佳尺寸。
与现有技术相比，本发明的突出优点和有益效果在于：
1.本发明通过“织构强化”与“纳米析出强化”的协同作用，从宏-微观两个尺度抑制晶界迁移。再结晶织构提供了宏观上各向异性的晶界分布，显著增加了晶粒粗化的能量壁垒；而纳米Co2P相则作为高效的钉扎点，从微观上机械地阻碍晶界迁移。二者协同，强化效果显著优于单一机制。
2.该协同强化机制使得材料在高温（≥500 °C）长期服役时，能够极大地抑制再结晶和晶粒粗化过程，从而保持优异的力学性能。
3.由于Co和P元素主要以电导率损失极小的纳米Co2P析出相形式存在，而非固溶在铜基体中，因此本发明在获得高强度和高热稳定性的同时，基本不损失铜基合金的本征高导电性，导电率可达98%IACS以上。
4.本发明提供的制备方法流程清晰，工艺参数明确，通过控制冷变形量和分级退火制度，可以精确调控织构的强度和纳米析出相的尺寸与分布，重现性好，适于工业化生产。
作者信息
梁杰斌，江西理工大学硕士研究生，研究方向为：“IGBT无氧铜制备技术研发”，授权国家发明专利1项，实用新型专利1项，受理发明专利1项，课外参加“互联网＋”大赛，“挑战杯”，“机创”，大学生创新创业，获得国家奖学金、优秀班干。
袁大伟，江西理工大学专任教师，硕士生导师，主要研究方向：有色金属合金设计与材料制备，短流程铜加工工艺研究及相关设备开发。近年来，在MSEA、MC、JMPT、JAC等期刊上发表高质量论文18篇，授权国家发明3件，其中2件发明专利实现成果转化，转化金额280万元；获得有色金属工业科学技术奖一等奖1项；承担国家级子课题1项，主持省重大专项项目3项，市级项目2项，参与国家级课题2项、省部级纵向课题3项，企业委托横向课题6项。
