難熔金屬浸滲復(fù)合材料力學(xué)性能和抗燒蝕性能研究

張保紅，林冰濤，唐亮亮

(安泰科技股份有限公司，安泰天龍鎢鉬科技有限公司，北京 100094)

難熔金屬浸滲復(fù)合材料力學(xué)性能和抗燒蝕性能研究

張保紅，林冰濤，唐亮亮

(安泰科技股份有限公司，安泰天龍鎢鉬科技有限公司，北京 100094)

采用熔滲法制備了兩種難熔金屬浸滲復(fù)合材料，分別為鎢滲銅復(fù)合材料和鉬滲銅復(fù)合材料，牌號為W-7Cu和Mo-10Cu。對兩種材料進(jìn)行了物理力學(xué)性能，如：室溫抗拉強(qiáng)度、高溫(800 ℃、1 200 ℃、1 600 ℃)抗拉強(qiáng)度、室溫?cái)嗔秧g度、室溫彈性模量以及抗燒蝕性能的對比研究。結(jié)果表明：W-7Cu材料具有更好的力學(xué)性能和抗燒蝕性能，室溫抗拉強(qiáng)度為728 MPa，1 600 ℃抗拉強(qiáng)度達(dá)到86 MPa；電弧風(fēng)洞試驗(yàn)2 500 K溫度下，線燒蝕速率為0.231 mm/s。Mo-10Cu材料具有更好的韌性，室溫?cái)嗔秧g度為41 MPa·m1/2。

難熔金屬；浸滲；復(fù)合材料；力學(xué)性能；抗燒蝕

0 引 言

鎢鉬等難熔金屬及其復(fù)合材料，由于具有高的熔點(diǎn)以及一些特有的性能，歷來被作為高新材料加以發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[1]。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對材料提出了更加苛刻的要求，難熔金屬及其復(fù)合材料越來越顯示出它獨(dú)特的優(yōu)越性，尤其是在航空航天、電子信息、能源、冶金、核工業(yè)等領(lǐng)域有著不可替代的作用。如：鎢(鉬)銅復(fù)合材料廣泛被用作電子封裝和熱沉積材料，同時(shí)，還作為耐高溫抗燒蝕材料，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。鎢(鉬)銅復(fù)合材料制備方法有多種，主要有高溫液相燒結(jié)法、熔滲法、活化液相燒結(jié)法、機(jī)械合金化等[2-19]。本文作者采用熔滲法制備了W-Cu和Mo-Cu復(fù)合材料，并對其物理力學(xué)性能和高溫抗燒蝕性能進(jìn)行了對比研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 制備工藝

采用熔滲法制備W-Cu和Mo-Cu兩種難熔金屬浸滲復(fù)合材料，分別為W-7Cu和Mo-10Cu牌號。

制備工藝流程：粉末處理→冷等靜壓→高溫?zé)Y(jié)→熔滲→機(jī)械加工→試樣。

1.2 分析測試

1.2.1 微觀組織

采用金相和SEM進(jìn)行組織分析。

1.2.2 力學(xué)性能

采用萬能電子試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫抗拉強(qiáng)度和高溫抗拉強(qiáng)度分析；采用斷裂韌度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行斷裂韌度的檢測，試樣缺口采用直徑為0.1 mm的鉬絲切割缺口。

1.2.3 彈性模量

檢測方法采用懸絲耦合共振法，試樣尺寸為φ6×160 mm。

1.2.4 燒蝕試驗(yàn)

采用電弧風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行高溫抗燒蝕試驗(yàn)，燒蝕試驗(yàn)溫度為2 500 K。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

2.1.1 抗拉強(qiáng)度

圖1為W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的室溫抗拉強(qiáng)度和高溫抗拉強(qiáng)度。

圖1 室溫和高溫抗拉強(qiáng)度

從數(shù)據(jù)對比可以看出，室溫條件下，W-7Cu材料的抗拉強(qiáng)度更高，達(dá)到728 MPa，Mo-10Cu材料的抗拉強(qiáng)度為502 MPa；1 600 ℃真空條件下，W-7Cu材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到86 MPa，Mo-10Cu材料的抗拉強(qiáng)度為50 MPa。

對比研究可見，W-7Cu材料的室溫抗拉強(qiáng)度和高溫抗拉強(qiáng)度都明顯高于Mo-10Cu材料。

2.1.2 斷裂韌度

圖2為W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的斷裂韌度。

圖2 兩種材料的斷裂韌度

從數(shù)據(jù)來看，Mo-Cu 材料的斷裂韌度值更高，達(dá)到41 MPa·m1/2，而W-7Cu材料的斷裂韌度值明顯低，僅為14 MPa·m1/2，說明脆性更大。

2.1.3 彈性模量

圖3為W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的彈性模量。

圖3 兩種材料的彈性模量

從數(shù)據(jù)看，W-7Cu材料的彈性模量更大，為341 GPa，說明W-7Cu材料的維形能力較好，在使用過程中不易發(fā)生變形。而Mo-10Cu材料的彈性模量明顯較低，為268 GPa，在高溫下使用容易發(fā)生變形。

2.2 抗燒蝕性能分析

不同材料的燒蝕時(shí)間不同，如表1所示，時(shí)間的長短是根據(jù)當(dāng)時(shí)電弧風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備的狀態(tài)確定的，時(shí)間過長，材料燒蝕過于嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備的某些部件，此時(shí)須停止試驗(yàn)。

表1 W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的燒蝕時(shí)間

從燒蝕試驗(yàn)看，W-7Cu材料方案的試驗(yàn)件抗燒蝕時(shí)間長一些。Mo-10Cu材料方案的試驗(yàn)件抗燒蝕的時(shí)間明顯較短。

2.2.1 燒蝕失重分析

對兩種材料進(jìn)行了表1所示燒蝕時(shí)間時(shí)的燒蝕失重分析，并計(jì)算了單位時(shí)間內(nèi)重量損失率，便于不同材料的對比。重量損失率見圖4。

從數(shù)據(jù)可以看出，W-7Cu材料的失重率更大，為4.46%，Mo-10Cu材料的失重率較小，為2.15%；但由于不同材料的燒蝕時(shí)間不同，單方面從重量損失率并不能說明問題，因此，本文計(jì)算了單位時(shí)間的重量損失率，即平均燒蝕1 s時(shí)間的重量損失率，便于對比分析。

從單位時(shí)間的重量損失率數(shù)據(jù)來看，W-7Cu材料的單位時(shí)間燒蝕失重率更小，為0.14%，說明W-7Cu的抗燒蝕性能明顯優(yōu)于Mo-10Cu材料。

2.2.2 線燒蝕分析

對兩種材料進(jìn)行了表1所示燒蝕時(shí)間的線燒蝕情況分析，如圖5所示。

圖4 兩種材料的燒蝕失重情況

圖5 兩種材料的線燒蝕情況

從線燒蝕率數(shù)據(jù)可以看出，Mo-10Cu材料的線燒蝕率大，為9.14%，W-7Cu材料的線燒蝕率較低，為7.06%。為了便于對比，計(jì)算了線燒蝕速率。從線燒蝕速率來看，W-7Cu的線燒蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Mo-10Cu材料，為0.231 mm/s，進(jìn)一步說明W-7Cu材料的抗燒蝕性能更優(yōu)。

2.2.3 燒蝕形貌分析

材料的燒蝕形貌如圖6所示。從燒蝕照片看，材料基本為均勻燒蝕，試樣的最前端燒蝕最嚴(yán)重，并且厚度有明顯的減薄現(xiàn)象，表面均有氧化現(xiàn)象發(fā)生，在試驗(yàn)件表面有明顯的鎢或者鉬的氧化物存在。由于氧化物的熔點(diǎn)低，所以在試驗(yàn)件表面有熔化和被氣流沖刷的現(xiàn)象。W-7Cu材料最前端呈現(xiàn)參差不齊的形貌，這與W-7Cu材料的斷裂韌度低有關(guān)系，表現(xiàn)出了明顯的脆性。

W-7Cu、Mo-10Cu材料均為浸滲復(fù)合材料，因?yàn)殂~的熔點(diǎn)較低(1 083 ℃)，試驗(yàn)過程中存在銅的析出現(xiàn)象，反映在試驗(yàn)后試樣表面能夠看出有熔化的銅存在。銅的蒸發(fā)能夠起到發(fā)汗冷卻的效果，有利于提高材料的抗燒蝕性能。

圖6 兩種材料的燒蝕形貌

2.2.4 微觀組織分析

W-7Cu、Mo-10Cu材料均為浸滲復(fù)合材料，微觀組織結(jié)構(gòu)相似，金相組織為紅色銅連續(xù)填充在鎢(鉬)骨架孔隙中，組織均勻。在燒蝕的過程中，有大量的銅析出而導(dǎo)致存在大量孔洞。

以W-7Cu材料為例，說明如下：圖7(a)為W-7Cu材料的金相組織，紅色的銅均勻填充在鎢骨架孔隙中，組織相對均勻。圖7(b)為試樣燒蝕后的金相組織，有明顯的孔洞存在。

圖7 W-7Cu材料燒蝕前后金相組織

3 結(jié) 論

(1)W-7Cu材料的室溫和高溫力學(xué)性能明顯優(yōu)于Mo-10Cu材料，室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到728 MPa，1 600 ℃抗拉強(qiáng)度達(dá)到86 MPa。

(2)W-7Cu材料的抗燒蝕性能明顯優(yōu)于Mo-10Cu材料，電弧風(fēng)洞試驗(yàn)2 500 K溫度條件下，W-7Cu材料線燒蝕速率為0.231 mm/s。

(3)Mo-10Cu材料的韌性優(yōu)于W-7Cu材料，室溫?cái)嗔秧g度為41 MPa·m1/2。

[1] 葛啟錄,肖振聲,韓歡慶.高性能難熔材料在尖端領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J].粉末冶金工業(yè),2000,10(1):7-13.

[2] 韓杰才,胡 平,張幸紅，等.超高溫材料的研究進(jìn)展[J].固體火箭技術(shù),2005,28(4):289-294.

[3] 鄭 欣,白 潤,王東輝，等.航天航空用難熔金屬材料的研究進(jìn)展[J].稀有金屬材料與工程,2011,40(10):1871-1875.

[4] 張喜慶.鎢銅復(fù)合材料制備及應(yīng)用進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2010,62(3):53-56.

[5] 徐 竹.鎢銅復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2016(6):76-78.

[6] 劉克明,諶 昀,謝仕芳，等.鎢銅復(fù)合材料研究現(xiàn)狀與展望[J].熱處理技術(shù)與裝備,2012,33(5):40-42.

[7] 黃麗枚,羅來馬,丁孝禹，等.鎢銅復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程材料,2014,38(4):1-6.

[8] 呂大銘.鉬銅材料的開發(fā)和應(yīng)用[J].粉末冶金工業(yè),2000,10(6):30-33.

[9] 張青花.Mo-Cu復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展[J].河西學(xué)院學(xué)報(bào),2009,25(2):51-54.

[10] 孫永偉,劉 勇.Mo-Cu 復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].熱處理,2012,27(2):16-18.

[11] 唐亮亮,鄺用庚,陳飛雄，等.鎢鉬滲銅材料的力學(xué)性能和組織研究[J].粉末冶金工業(yè),2011,21(3):6-10.

[12] 王婕麗,林文松,姜自旺.電觸頭用鉬銅復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝,2013,42(22):5-8.

[13] 范景蓮,劉 濤,朱 松.W-Cu復(fù)合材料制備新技術(shù)與發(fā)展前景[J].硬質(zhì)合金,2011,28(1):56-65.

[14] 徐 凱.鎢銅復(fù)合材料的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國鎢業(yè),2010,25(3):30-34.

[15] 趙晶晶,李繼文,張盤龍，等.鎢銅復(fù)合材料制備方法的研究現(xiàn)狀[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金,2013,41(4):52-54.

[16] 吳化波,王志法,劉金文，等.滲銅用鎢骨架制備工藝的研究進(jìn)展[J].中國鉬業(yè),2008,32(3):43-46.

[17] 馮 威,李玉龍,朱曉東.鎢銅復(fù)合材料的制備與應(yīng)用[J].成都大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(4):364-367.

[18] 王 暉,張小明,王 峰，等.W-Cu材料的應(yīng)用進(jìn)展和制備技術(shù)[J].硬質(zhì)合金,2014,31(5):322-326.

[19] 夏 揚(yáng),宋月清,崔 舜，等.Mo-Cu和W-Cu合金的制備及性能特點(diǎn)[J].稀有金屬,2008,32(2):240-244.

專利名稱：一種乳房腫物鉬靶二維定位尺

專利申請?zhí)枺篊N201520747661.0

公開號：CN204995499U

申請日：2015.09.25

公開日：2016.01.27

申請人：崔建春

本實(shí)用新型提供一種乳房腫物鉬靶二維定位尺，是一個(gè)片板或片膜，是一個(gè)膜片，以膜片一邊的中點(diǎn)為圓心有多條等距離的半圓線，從圓心輻射出多條等間隔的經(jīng)向線，經(jīng)向線和半圓線是由不透射線且對乳腺組織的影像影響最小的金屬制成。其優(yōu)點(diǎn)在于：不接觸患者膚體，定位精確，使用方便。

RESEARCHONMECHANICALPROPERTIESANDABLATIONRESISTANCEOFREFRACTORYMETALINFILTRATIONCOMPOSITES

ZHANG Bao-hong,LIN Bing-tao,TANG Liang-liang

(Advanced Technology & Materials Co.,Ltd., ATTL Advanced Materials Co., Ltd., Beijing 100094,China)

Tungsten infiltrated copper composites and molybdenum infiltrated copper composites were prepared by infiltration, the grades are W-7Cu and Mo-10Cu.Properties of the materials were studied,such as tensile strength, fracture toughness, elastic modulus and ablation resistance.The results show that the tensile strength and ablation resistance of W-7Cu are better.The tensile strength is 728 MPa at 25 ℃ and 86 MPa at 1 600 ℃, the linear ablation rate is 0.231 mm/s at 2 500 K.Mo-10Cu has better toughness, the fracture toughness at room temperature is 41MPa·m1/2.

refractory metal;infiltration；composite;mechanical property;ablation resistance

TG146.4+12

A

1006-2602(2017)05-0049-04

2017-08-22；

2017-09-20

張保紅(1972—)，女，碩士，高級工程師，長期從事難熔金屬及其復(fù)合材料的研究。

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.05.011

E-mail：zhangbaohong@atmcn.com