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新型钨铜复合材料的设计、制备与性能研究

汪峰涛  
【摘要】: W-Cu复合材料独特的性能使其被广泛用作电接触器、真空断路器、热沉材料等功能和结构器件。由于W、Cu之间较大的性能差异,一直以来W-Cu复合材料的制备工艺都是该领域的研究热点。目前,传统工艺存在致密化程度低、微观组织不均匀或成分受限制等一系列问题,使得W-Cu复合材料无法发挥更大的潜力。现代电子信息业和国防工业高尖端领域的快速发展对W-Cu复合材料提出了新的发展方向和要求:(1)探索适用于工业化生产的材料制取工艺;(2)通过进一步提高致密度和微结构均匀性得到更高性能的W-Cu复合材料;(3)开发满足高科技要求的新型高性能W-Cu复合材料;(4)拓展W-Cu复合材料的应用领域。本论文针对以上方面提出以机械合金化技术为基础结合常压烧结或热压的方法制备高性能细晶W-Cu复合材料、W-Cu/AlN复合材料和W-Cu梯度功能材料,并对其工艺,优化设计及性能等方面进行探索和研究。为今后高性能W-Cu复合材料的实际生产和应用领域的拓展提供理论依据和数据支撑。 首先,对不同成分W-Cu纳米晶复合粉体的机械合金化过程进行了研究,通过对球磨和退火热处理过程中复合粉体的内部相转变和成分分布,以及晶粒尺寸、晶格常数、微观应变和形貌特点等方面的分析,探讨了机械合金化制备W-Cu纳米晶粉体的工艺特点、粉体的特征和热稳定性。W-15Cu、W-20Cu和W-30Cu复合粉末在分别球磨30h、40h和60h后均形成了常温下稳定的W(Cu)过饱和固溶体。在W-15Cu系统中:随着球磨的进行,复合粉体中W晶粒尺寸逐渐减小;复合粉末的粒度在球磨过程中呈现先增大后减小的趋势,球磨30h粉末颗粒呈多面体状,表面平滑,平均粒度4μm左右。W(Cu)过饱和固溶体的形成机制为球磨初期,粉体呈现Cu包裹W的包覆结构形态;继续球磨,包覆结构的复合颗粒进一步细化,包覆层间距大大减小,形成W、Cu均匀弥散分布的复合组织;球磨30h,形成了组织和成分均一的W(Cu)过饱和固溶体。W-15Cu纳米晶复合粉末在退火热处理过程中晶格畸变程度降低、内应力释放,粉体结构有序度明显提高;球磨过程中形成的W(Cu)过饱和固溶体在500℃退火时开始脱溶。 其次,采用机械合金化技术制备的纳米晶W-Cu复合粉体,分别通过常压液相烧结或热压烧结的方法,制备出W-15Cu、W-20Cu和W-30Cu,以及W-Cu/x%AlN(x=0.25,0.5,1.0,2.0,质量分数)复合材料并对其密度、热导率、电阻率、电导率等物理性能,以及硬度、抗弯强度等力学性能和显微结构进行测试和观察,探讨了高能球磨及烧结工艺参数对W-Cu复合材料组织结构和性能的影响,以及高能球磨后粉体的烧结致密化机理。机械合金化技术从细化晶粒、提高粉体组成的均匀度和形成W(Cu)固溶体等多方面改善了W-Cu复合粉体的烧结性能,加强了W-Cu之间的相互作用,增大了W-Cu之间的接触机会,从而大大提高了W-Cu复合材料的致密度和组织的均匀性,是获得近全致密W-Cu复合材料最佳制备工艺之一。常压烧结优化工艺参数为:成型压力350MPa,烧结温度为1200℃,保温90min。W-15Cu、W-20Cu、W-30Cu复合材料的致密度分别为98.42%,99.10%,99.34%。采用真空热压烧结工艺在相对较低的温度1050℃,25MPa压力下烧结90min制备出组织结构更加均匀细小的W-Cu复合材料,三种成分的W-Cu复合材料的致密度分别达到:97.87%,98.29%,98.94%。少量纳米AlN颗粒(≤1wt%)的加入对W-Cu复合材料的致密度影响并不大,在1wt%加入量时,致密度仍接近98%;纳米AlN颗粒均匀弥散分布于基体中Cu相中,提高基体材料中Cu的硬度;但是随着AlN纳米颗粒的含量增加,基体晶界上的增强相颗粒分布过多,影响烧结过程中相邻W颗粒间结合和材料的致密化,而致使材料的抗弯强度有所下降,但对导热性能的提高有一定的帮助。 最后,采用有限元方法(Finite Element Method),针对W-Cu梯度功能材料在制备过程中产生的残余热应力进行了数值模拟分析。在综合分析了残余热应力大小和梯度层中应力分布状态等因素的基础上,确定了三层结构的W-Cu梯度材料,P=2.4时,过渡层Cu含量为33vol.%时的三层W-Cu梯度功能材料W-20%Cu/W-33%Cu/W-50%Cu具有较好的热应力缓和效果;四层结构的W-Cu梯度材料,在P=1.4时,模拟计算得出的W-20%Cu/W-29.1%Cu/ W-39.2%Cu/W-50%Cu四层均厚的W-Cu复合材料的等效应力具有最小值。并基于上述成分结构研究了W-Cu梯度复合材料的制备工艺,提出先冷压后低温热压烧结的制备工艺较好的保证了梯度材料具有较高的致密度,同时保持了单层的原始设计成分。所制备W-Cu三层和四层梯度复合材料的层界面结合良好,没有明显的裂纹等缺陷;热导率分别达到198 W·m-1K-1和202 W·m-1K-1,获得了较高的导热性能;两种结构的FGM样品经800℃温差的热震试验后,界面处没有发现裂纹和开裂现象,表现出良好的抗热震性能;热疲劳试验结果表明,三层结构和四层结构的梯度材料在分别经过86和143次热循环后首次出现裂纹,热疲劳裂纹总是最先出现在梯度材料的两端,与热应力模拟结果一致。


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