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，高強度，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。

【關(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 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0103-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.047

【Abstract】Tungsten is a rare metal with high density，high melting point，high strength and low coefficient of thermal expansion，while copper has good thermal and electrical conductivity.The two metal elements neither dissolve nor form metal compounds，and the melting point difference is very large（tungsten 3410°C，copper 1084.5°C），so the tungsten-copper composite material is composed of body-centered cubic tungsten particles and face-centered cubic copper bonded phases.Composite material.This article focuses on the process of preparing tungsten-copper composites and discusses the application of tungsten-copper composites.

【Key words】Tungsten-copper composite；Application；Preparation process

0 前言

鎢銅復(fù)合材料由于其特點優(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，鎢具有熔點高，線膨脹系數(shù)低，強度高的特點，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，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，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)有了很大的發(fā)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，成本低，但這種液相燒結(jié)易于由于高溫導(dǎo)致的鎢晶粒的粗糙度。問題在于難以獲得組成均勻的合金，并且通過機械合金化技術(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材料可以通過短時間在熔點以上的溫度下燒結(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)粉末具有較高的表面活性，在較低的燒結(jié)溫度和較短的燒結(jié)時間下可致密化。 Li Y.等人氧化后進行3～6小時的高能球磨，在630℃下得到均勻分散在0.5μm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

首先將與少量誘導(dǎo)銅粉混合的鎢粉或鎢粉制成生坯，然后在還原氣氛或真空下在900℃至950℃下預(yù)燒結(jié)以獲得一定的強度多孔鎢骨架。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。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，因為燒結(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，浸入工藝?yán)щy，但所得觸點材料組成均勻且性能良好。

1.3 熱壓燒結(jié)

熱壓（也稱為壓力燒結(jié)）涉及將粉末裝入模腔中，在壓制時將粉末加熱到正常燒結(jié)溫度或更低，并在短時間后燒結(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)要求模具成本高，成本高，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)還需要氫氣保護或真空燒結(jié)，導(dǎo)致高的生產(chǎn)成本。

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現(xiàn)，Johnsom et al。表明Co和Fe的活化燒結(jié)效果最好，因為Co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，形成大量高擴散界面層，促進固相W的燒結(jié)。對于W-10Cu材料，F(xiàn)e或Co是0.35%至0.5%。密度，強度和硬度似乎是最佳的。另外，添加激活劑的方式顯示出多樣性。將W粉末直接加入含有活化劑離子的鹽溶液中，然后在低溫下干燥以獲得均勻的表面。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。這一觀點是基于實驗結(jié)果Hwang KS。事實證明，用于制備鎢-銅材料的活化燒結(jié)的最大缺點是顯著降低了鎢-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)成本低，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，Kim JC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滲透的密度達(dá)到99%。對于W-Cu材料來說，注塑成型的最大優(yōu)點是大規(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，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。報道采用熱等靜壓擴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梯度設(shè)計和優(yōu)化，可以通過數(shù)學(xué)算法輔助，計算機有限元分析軟件輔助實施。

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。任樹斌等其他人則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)動機噴嘴，喉管襯里，氣舵，防護裝置和緊固件等。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)動機的關(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。點火時的溫升約為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，兩相結(jié)構(gòu)中所含的銅會汽化并吸收大量的熱量，這會顯著降低表面的溫度鎢銅組件，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ω（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，銅不僅能夠很好地汽化而不會造成太快的揮發(fā)損失。

3 結(jié)語

鎢銅復(fù)合材料具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景，其制備方法各有優(yōu)缺點，需根據(jù)實際情況和要求進行選擇。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和科研人員的努力，新的制備技術(shù)將逐步發(fā)展，形成和燒結(jié)機理和方法將得到進一步研究，同時，鎢銅復(fù)合材料的特殊性能將在更多領(lǐng)域得到體現(xiàn)和應(yīng)用。

【參考文獻】

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[2]楊梨容.鎢銅復(fù)合材料致密化工藝及組織結(jié)構(gòu)研究[D].西華大學(xué)，2009.