真空熱壓燒結(jié)CuW30復(fù)合材料的熱壓縮變形特性

龍永強,田保紅,劉 勇

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽 471023; 2.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點實驗室,河南 洛陽 471023)

0 前 言

鎢銅復(fù)合材料具有高密度、高強度、高硬度、良好的延展性、好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等獨特性能,被廣泛用作電接觸器、電加工電極、電子封裝材料等功能和結(jié)構(gòu)器件[1-3].鎢銅復(fù)合材料因其性能好、成本低,被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的新型功能材料[4-6].目前大多數(shù)應(yīng)用的鎢銅復(fù)合材料都以鎢為主,鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～90%.近年來,根據(jù)使用性能的要求和鎢銅復(fù)合材料的發(fā)展,又開發(fā)了含銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～90%的細(xì)晶高銅低鎢復(fù)合材料.因其能夠保持較高的強度和導(dǎo)電率,可以代替部分含銀觸頭以降低成本.同時它還有一定的塑性,解決了鎢銅復(fù)合材料難以加工的困難.另外,可以作為質(zhì)點強化銅合金,這為解決純銅在較高溫度易軟化而應(yīng)用受限制找到了一個新的途徑[7-8].本文利用真空熱壓燒結(jié)法制備了CuW30復(fù)合材料,并在Gleeble-1500D熱模擬機上,進(jìn)行了圓柱體軸對稱等溫壓縮試驗.研究了其高溫壓縮變形過程中反映出的真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系曲線,以及流變應(yīng)力與應(yīng)變速率及變形溫度之間的關(guān)系,考察了其熱流變應(yīng)力、組織變化與變形溫度和變形速率的關(guān)系,建立了等溫壓縮本構(gòu)方程,計算了熱變形條件下的激活能,為優(yōu)化變形加工條件提供了理論和試驗依據(jù).

1 試驗材料及方法

試驗材料為CuW30復(fù)合材料,采用真空熱壓燒結(jié)法制得,成分配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為70%Cu和30%W.為了消除混合粉末在試驗過程中的硬團聚現(xiàn)象,混粉先采用手工研磨,然后放在QQM/B輕型球磨機上充分混合3～5 h.真空熱壓燒結(jié)工藝為:混粉→裝爐→抽真空→升溫→保溫(20 min)→加壓(10 min后卸壓)→保溫→加壓(保溫的最后50 min開始到保溫結(jié)束)→降溫取樣.主要的燒結(jié)工藝參數(shù):真空度為1×10-2Pa,燒結(jié)溫度950 ℃,保溫時間為2 h,壓制壓力為30 MPa,保壓總時間為60 min.真空熱壓燒結(jié)為自制模具,在VDBF-250真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行.將錠坯加工成尺寸為8 mm×12 mm的試樣,在Gleeble-1500D材料熱模擬試驗機上進(jìn)行等溫單道次壓縮試驗.壓縮變形前將試樣兩端涂上石墨粉作為潤滑劑.變形溫度為650、750、850 和950 ℃;應(yīng)變速率分別為0.01、0.1、1和5 s-1;總壓縮真應(yīng)變量為0.7(最大變形量50).升溫速度為10 ℃/s,變形前保溫3 min,壓縮完成水冷至室溫.另外,將錠坯制成金相試樣,在JSM-5610LV型掃描電鏡下觀察其顯微組織.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 CuW30復(fù)合材料的顯微組織與性能

圖1為真空熱壓燒結(jié)制備的CuW30的顯微組織.從圖1(a)中可以看出，白色的W相均勻地分布在灰色的銅基體上,鎢顆粒和銅基體都比較致密,沒有明顯的空隙；從圖1(b)中可以看出，鎢顆粒大致分布在銅的晶界上,鎢銅界面清晰,沒有發(fā)生明顯的擴散.

燒結(jié)前期,顆粒發(fā)生重排、塑性變形和相對滑動,小的鎢顆粒填充在大的銅顆粒的間隙中,在外在壓力下,銅顆粒發(fā)生塑性變形,銅的體積分?jǐn)?shù)大,銅慢慢包圍了鎢顆粒,形成銅網(wǎng)絡(luò),能較大地提高材料的導(dǎo)電性能；燒結(jié)后期,銅晶粒開始長大,由于分散鎢顆粒對晶界的阻礙,使銅晶粒長大的速度降低,并造成鎢顆粒分布在銅基體的晶界上.

圖1 CuW30復(fù)合材料的微觀組織

表1(見下頁)為真空熱壓燒結(jié)制備的CuW30復(fù)合材料的實測性能.從表1中可以看出,真空熱壓燒結(jié)制備的CuW30復(fù)合材料的各項性能均好于銀鎢觸頭,為替代銀鎢觸頭提供了新途徑.

表1 CuW30復(fù)合材料的實測性能Tab.1 Properties of the CuW30 composite

2.2 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖2為CuW30復(fù)合材料在不同變形溫度和不同速率下壓縮變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線.

從圖2中可以看出,所有的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上都出現(xiàn)了一個明顯的應(yīng)力峰值.當(dāng)變形溫度和應(yīng)變速率一定時,材料的流變應(yīng)力隨著應(yīng)變量的增加而迅速升高,達(dá)到一定的應(yīng)變量(0.2～0.3左右)時,流變應(yīng)力達(dá)到一個峰值,然后流變應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加而減小.應(yīng)變量超過0.5以后,流變應(yīng)力幾乎保持不變,這是典型的動態(tài)再結(jié)晶類型.峰值之前,加工硬化效應(yīng)大于動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶軟化效應(yīng);峰值之后,材料呈現(xiàn)明顯的動態(tài)再結(jié)晶,動態(tài)軟化速率大于加工硬化速率,應(yīng)力值逐漸下降.動態(tài)再結(jié)晶結(jié)束后,加工硬化和動態(tài)軟化達(dá)到動態(tài)平衡,流變應(yīng)力不隨變形量增大而明顯變化,即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段.

當(dāng)變形溫度一定時,CuW30復(fù)合材料的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增大.如在750 ℃變形時,應(yīng)變速率由0.01 s-1增加到5 s-1,其應(yīng)力峰值由54 MPa增大到120 MPa左右(見圖1(b));當(dāng)應(yīng)變速率一定時,其流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低,如在0.01 s-1變形時,溫度由650 ℃升高到950 ℃,應(yīng)力峰值由75 MPa降低到27 MPa.這說明了CuW30復(fù)合材料是對變形溫度和應(yīng)變速率敏感的材料.

應(yīng)變速率是影響流變應(yīng)力的重要因素之一.其原因是:在溫度一定、材料的組織結(jié)構(gòu)不變的情況下,應(yīng)變速率增大,位錯結(jié)構(gòu)形成的速度加快,晶體內(nèi)由于原子間和位錯之間的相互作用迅速形成內(nèi)應(yīng)力場和能量勢壘.然而,變形是由擴散控制的位錯攀移引起的變形或者由割階攀移控制的螺形位錯開動引起的變形.位錯運動需要外應(yīng)力和熱激活的驅(qū)動來克服由內(nèi)應(yīng)力構(gòu)成的障礙和能量勢壘.在溫度一定的情況下,熱起伏的作用是有限的,需要保持較大的有效應(yīng)力,因此流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率而增大.變形溫度是影響流變應(yīng)力的又一重要因素,隨著變形溫度的升高,原子活動的動能增加,依賴于原子間相互作用的臨界剪切應(yīng)力減弱,各種點缺陷的擴散加快,依賴于擴散的位錯開動易于進(jìn)行,熱激活能的作用增強,位錯運動依靠的有效應(yīng)力減小致使流變應(yīng)力降低.

峰值應(yīng)力的出現(xiàn)是由位錯堆積造成的硬化和動態(tài)再結(jié)晶軟化共同作用的結(jié)果[10].金屬的高溫變形是一個熱激活過程,溫度升高會使熱激活過程增強,可以立即引起回復(fù)現(xiàn)象的出現(xiàn)而不需要孕育期.在這過程中,由加工硬化造成的位錯密度會有所下降,即金屬缺陷降低,宏觀上表現(xiàn)為流變應(yīng)力下降.金屬經(jīng)歷回復(fù)階段后進(jìn)行再結(jié)晶轉(zhuǎn)變,熱激活決定了形核和再結(jié)晶的過程.隨著溫度的升高,合金動態(tài)再結(jié)晶的形核率、晶粒長大速率均增加,促使位錯密度急劇下降,流變應(yīng)力減小.

2.3 熱激活能與流變應(yīng)力本構(gòu)方程

(1)

在熱變形條件下,通?？梢杂脺囟妊a償?shù)膽?yīng)變速率因子Zener-Hollomon參數(shù)Z來表示[12-13]:

Z=A[sinh(ασ)]n

(2)

當(dāng)溫度一定時,變形激活能為常數(shù),對方程(1)兩邊取對數(shù)得:

(3)

在一定的溫度和應(yīng)變速率下,由式(3)對1/T求偏導(dǎo)得:

(4)

圖3 峰值應(yīng)力和應(yīng)變速率的關(guān)系Fig.3 Relationship between σ and

從圖3中計算可得α=0.017 015 mm2/N,從圖4中計算可得n=6.243.將圖4中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3),得到熱變形激活能為Q=231.510 kJ/mol.

以lnZ和ln [sinh(ασ)]作圖,如圖5(見下頁)所示.兩變量成良好的線性關(guān)系,對其進(jìn)行一元線性回歸,其線性相關(guān)系數(shù)r2=0.992 79,說明ln [sinh(ασ)]-lnZ的線性關(guān)系良好.也就是說可以用雙曲正弦模型來描述CuW30復(fù)合材料的高溫流變行為,圖中直線斜率為lnA=23.875.將以上所求參數(shù)值代入式(1),得到CuW30復(fù)合材料的高溫?zé)嶙冃瘟髯儜?yīng)力本構(gòu)方程為:

圖4 峰值應(yīng)力、應(yīng)變速率、變形溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between and T

圖5 Z參數(shù)與流變應(yīng)力的關(guān)系Fig.5 Relationship between parameter Z and peak flow stress

3 結(jié) 論

(1) CuW30復(fù)合材料的流變應(yīng)力-真應(yīng)變曲線均為動態(tài)再結(jié)晶類型.當(dāng)變形溫度一定時,其流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增大,為應(yīng)變速率敏感材料;當(dāng)應(yīng)變速率一定時,其流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小.

(2) 在650～950 ℃范圍內(nèi),CuW30復(fù)合材料的熱變形激活能為231.510 kJ/mol,流變應(yīng)力方程為:

(3) CuW30復(fù)合材料的熱加工宜在應(yīng)變速率為0.01～0.1 s-1、溫度在850～950 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行.

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