放電等離子燒結(jié)制備鎢銅復(fù)合材料工藝研究

1、放電等離子燒結(jié)制備鎢銅復(fù)合材料工藝研究徐玄戴琴歐邯【摘要】鎢是一種高密度，高熔點(diǎn)，高強(qiáng)度，低熱膨脹系數(shù)的稀有金屬，而銅具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。兩種金屬元素既不相溶也不形成金屬化合物，熔點(diǎn)差是非常大的鎢3410，銅1084.5，所以鎢銅復(fù)合材料是由體心立方鎢顆粒和面心立方銅結(jié)合相組成的復(fù)合材料。本文重點(diǎn)介紹制備鎢銅復(fù)合材料的工藝，并討論了鎢銅復(fù)合材料的應(yīng)用方向?！娟P(guān)鍵詞】鎢銅復(fù)合材料；應(yīng)用；制備工藝中圖分類號：TF124.5；TB33文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2457202116-0103-002DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.16.047【A

2、bstract】Tungstenisararemetalwithhighdensity，highmeltingpoint，highstrengthandlowcoefficientofthermalexpansion，whilecopperhasgoodthermalandelectricalconductivity.Thetwometalelementsneitherdissolvenorformmetalcompounds，andthemeltingpointdifferenceisverylargetungsten3410°C，copper1084.5°C，sothe

3、tungsten-coppercompositematerialiscomposedofbody-centeredcubictungstenparticlesandface-centeredcubiccopperbondedphases.Compositematerial.Thisarticlefocusesontheprocessofpreparingtungsten-coppercompositesanddiscussestheapplicationoftungsten-coppercomposites.【Keywords】Tungsten-coppercomposite；Applicat

4、ion；Preparationprocess0前言鎢銅復(fù)合材料由于其特點(diǎn)優(yōu)異而被廣泛應(yīng)用于大容量真空斷路器和微電子領(lǐng)域，鎢具有熔點(diǎn)高，線膨脹系數(shù)低，強(qiáng)度高的特點(diǎn)，銅具有良好的導(dǎo)熱性能以及導(dǎo)電性能：兩種金屬都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但鎢和銅互不相容，粉末冶金技術(shù)制造的鎢銅復(fù)合材料既具有鎢和銅的優(yōu)點(diǎn)，又能滿足使用要求材料在許多領(lǐng)域。1鎢銅復(fù)合材料的制備工藝近年來，鎢銅復(fù)合材料已在國內(nèi)外得到應(yīng)用，生產(chǎn)技術(shù)有了很大的開展，新的工藝和技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。1.1普通燒結(jié)普通燒結(jié)屬于傳統(tǒng)的粉末冶金方法，首先將鎢粉和銅粉稱量混合，然后壓制成型并燒結(jié)。普通燒結(jié)工藝簡單，本錢低，但這種液相燒結(jié)易于由于高溫導(dǎo)致的鎢晶粒的粗

5、糙度。問題在于難以獲得組成均勻的合金，并且通過機(jī)械合金化技術(shù)，粉末在壓縮燒結(jié)之前可以在原子水平上均勻混合。W粉末中具有Cu相的復(fù)合粉末略高于Cu。密度超過94%的W-Cu材料可以通過短時(shí)間在熔點(diǎn)以上的溫度下燒結(jié)而獲得，這特別適用于制備低銅含量的W-Cu材料。由于超細(xì)粉末具有較高的外表活性，在較低的燒結(jié)溫度和較短的燒結(jié)時(shí)間下可致密化。LiY.等人氧化后進(jìn)行36小時(shí)的高能球磨，在630下得到均勻分散在0.5m以下的鎢-銅復(fù)合粉末。W-20Cu合金是將復(fù)合粉末在1200的環(huán)境下燒結(jié)60分鐘，熱導(dǎo)率為210Wm-1K-1，致密度為99.5%。常見燒結(jié)設(shè)備要求不高，工藝相對簡單。1.2熔滲首先將與少量誘

6、導(dǎo)銅粉混合的鎢粉或鎢粉制成生坯，然后在復(fù)原氣氛或真空下在900至950下預(yù)燒結(jié)以獲得一定的強(qiáng)度多孔鎢骨架。Cu金屬或壓制的Cu坯放置在多孔鎢骨架上或下面。在比Cu的熔點(diǎn)高的溫度下燒結(jié)稱為滲透，并且多孔鎢骨架完全浸入較低的熔點(diǎn)。在銅熔體中獲得致密的產(chǎn)物的方法稱為熔融浸漬。在多孔鎢骨架的毛細(xì)作用下，銅熔體滲透浸出到鎢骨架的孔隙中以形成銅網(wǎng)分布。滲入密度通常理論密度在97%98%之間，因?yàn)闊Y(jié)骨架中總是存在極少量的不能填充浸潤金屬的閉孔，浸潤后可通過冷熱加工進(jìn)一步提高密度。目前，這種工藝已經(jīng)在一些大中型高壓下斷路器和真空開關(guān)用于生產(chǎn)鎢基觸點(diǎn)，浸入工藝?yán)щy，但所得觸點(diǎn)材料組成均勻且性能良好。1.3熱壓

7、燒結(jié)熱壓也稱為壓力燒結(jié)涉及將粉末裝入模腔中，在壓制時(shí)將粉末加熱到正常燒結(jié)溫度或更低，并在短時(shí)間后燒結(jié)成致密且均勻的產(chǎn)品。壓制和燒結(jié)工藝同時(shí)完成，在低壓下可快速獲得冷壓燒結(jié)無法獲得的密度。然而，熱壓技術(shù)要求模具本錢高，本錢高，單件生產(chǎn)效率低。它在生產(chǎn)中不常用。周建建等人在1800，爐壓為18N/mm3和2h的條件下生成了鎢銅功能梯度材料，理論密度為94.6%，富銅含量高達(dá)22.55vo1.%。對于鎢-銅復(fù)合材料，熱壓燒結(jié)還需要?dú)錃獗Ｗo(hù)或真空燒結(jié)，導(dǎo)致高的生產(chǎn)本錢。1.4活化燒結(jié)通常，為了加速鎢銅復(fù)合材料在燒結(jié)過程中的致密化過程，可以通過添加其他合金元素來實(shí)現(xiàn)，Johnsometal。說明Co和F

8、e的活化燒結(jié)效果最好，因?yàn)镃o和Fe都存在于Cu中。其溶解度受到限制，在燒結(jié)溫度下可與W形成穩(wěn)定的中間相，形成大量高擴(kuò)散界面層，促進(jìn)固相W的燒結(jié)。對于W-10Cu材料，F(xiàn)e或Co是0.35%至0.5%。密度，強(qiáng)度和硬度似乎是最正確的。另外，添加激活劑的方式顯示出多樣性。將W粉末直接參加含有活化劑離子的鹽溶液中，然后在低溫下枯燥以獲得均勻的外表。然后將活性劑覆蓋層的W粒子在化學(xué)涂覆的粉末壓塊上燒結(jié)以獲得密度高達(dá)97%的鎢銅復(fù)合材料。然而，活化劑的添加相當(dāng)于引入雜質(zhì)元素，這增加了電子在傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)過程中的散射，從而顯著降低了鎢銅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。這一觀點(diǎn)是基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果HwangKS。事實(shí)證

9、明，用于制備鎢-銅材料的活化燒結(jié)的最大缺點(diǎn)是顯著降低了鎢-銅材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，但由于其方法簡單且生產(chǎn)本錢低，鎢銅仍然需要性能要求較低的產(chǎn)品。1.5注射成形通過注塑生產(chǎn)W-Cu材料有兩種主要方法。首先，鎢銅混合粉末用于注射成型后的直接燒結(jié)。例如，KimJC等人獲得粉末填充量為45%-50%體積分?jǐn)?shù)的注塑部件，直接燒結(jié)后的成品密度高于96%，其次是注入所形成的鎢鋼坯，然后滲入燒結(jié)，如楊B.其他人研究了10%，15%，20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎢銅材料的注塑成型，粉末填充量為52%體積分?jǐn)?shù)。在兩個(gè)脫脂步驟之后，將鎢塊在1150下預(yù)燒結(jié)30分鐘。最后，在1150熔化5min，W-15Cu滲透的密度到達(dá)99%。

10、對于W-Cu材料來說，注塑成型的最大優(yōu)點(diǎn)是大規(guī)模生產(chǎn)小型復(fù)雜零件或細(xì)長棒材。1.6功能梯度法鎢銅功能梯度材料主要源于傳統(tǒng)均質(zhì)材料不能滿足高功率和其他使用條件的要求。作為梯度材料，它可以是高熔點(diǎn)，高硬度鎢或高鎢鎢一端為銅材料，另一端為高導(dǎo)電導(dǎo)熱導(dǎo)電，最好為韌性銅或低鎢鎢銅材料，中間是組成不斷變化的過渡層，可以很好地緩解熱效應(yīng)由W和Cu的熱性質(zhì)之間的不匹配引起的應(yīng)力。具有良好的力學(xué)性能，耐燒蝕性，抗熱震性等綜合性能。報(bào)道采用熱等靜壓擴(kuò)散接合法可以將不同組織的鎢銅材料組合成梯度。此外，一些特殊的成形工藝也可以實(shí)現(xiàn)等離子噴涂，激光熔覆，電泳沉積和離心等部件的梯度分布鑄造等。功能梯度法的核心是材料的功能

11、梯度設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以通過數(shù)學(xué)算法輔助，計(jì)算機(jī)有限元分析軟件輔助實(shí)施。2鎢銅復(fù)合材料的應(yīng)用2.1電觸頭材料目前鎢銅復(fù)合材料的主要用途是電觸頭，特別是高壓和超高壓開關(guān)電器的觸頭。開關(guān)電器中電觸頭材料的功能是連接和斷開電路。在電氣開關(guān)中，它是非常重要的接觸元件。羅昊采用熱壓燒結(jié)滲透法制造了三種銅鎢合金觸頭。CuW50，CuW70和CuW80具有不同的連續(xù)相，隨著鎢含量的增加，其密度和硬度增加，電導(dǎo)率顯著下降。吳婷采用粉末冶金法制備銅基電觸頭材料，銅鎢鎢碳化物/銅雙層產(chǎn)品以及CuW/WC復(fù)合材料將高銅導(dǎo)電性與高導(dǎo)熱性結(jié)合在一起。2.2微電子技術(shù)應(yīng)用由于鎢銅復(fù)合材料具有較高的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，近年來已用于

12、大規(guī)模集成電路和高功率微波器件，作為電子封裝材料，鎢銅的高耐熱性和耐熱性微電子器件中的熱膨脹系數(shù)可與半導(dǎo)體材料如硅片，砷化鎵和陶瓷材料很好地匹配。任樹斌等其他人那么主要致力于滿足高功率微波設(shè)備。W-Cu傳統(tǒng)電子封裝材料在中國的制備和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并已形成工業(yè)化生產(chǎn)。2.3高溫用鎢銅復(fù)合材料鎢銅復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，喉管襯里，氣舵，防護(hù)裝置和緊固件等。這些材料的應(yīng)用，特別是在喉襯和氣舵中，相對成熟，已經(jīng)形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，如方向舵和噴嘴喉部襯里在工作環(huán)境中非常惡劣。點(diǎn)火時(shí)的溫升約為2000/s，工作溫度通常約為3000。鎢銅復(fù)合材料的溫度高達(dá)3000，當(dāng)溫度高于此溫度時(shí)，兩相結(jié)構(gòu)中所含的銅會(huì)汽化并吸收大量的熱量，這會(huì)顯著降低外表的溫度鎢銅組件，允許它在高溫環(huán)境下使用。用于軍事防御的鎢銅復(fù)合材料需要耐高溫，熱沖擊和侵蝕的材料。這種應(yīng)用通常使用Cu=5%-10%的鎢銅復(fù)合材料。鎢骨架毛孔具有良好的連接性。并且具有良好的毛細(xì)管作用，以確保在高溫下使用時(shí)，銅不僅能夠很好地汽化而不會(huì)造成太快的揮發(fā)損失。3結(jié)語鎢銅復(fù)合材料具有重要的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，其制備方法各有優(yōu)