纳米W-Cu复合粉体制备的研究进展

W-Cu复合材料结合了W、Cu金属各自优良性能,具有良好的高温强度、延展性、抗电弧烧结性、耐高温氧化和低膨胀系数等特点,广泛应用于机械加工、国防工业、航空航天、电子信息、军事等领域。以超细纳米W-Cu复合粉体为原材料是制备出性能优越的W-Cu复合材料的主要途径之一,受到国内外学者的广泛关注。主要总结了W-Cu超细纳米复合粉体的制备方法,如机械合金化法、化学共沉淀法、水热合成-共还原法、喷雾干燥法、溶胶-凝胶法、冷冻-干燥法、燃烧法等,并通过分析现阶段制备W-Cu纳米复合粉体存在的问题,提出了未来该领域的研究方向。

W-Cu复合材料的应用现状及掺杂改性的研究进展

W-Cu复合材料因具有高的硬度、耐磨性、抗烧蚀性能、导电性和导热性以及低热膨胀系数等综合性能而被广泛应用于多种工业领域。本文介绍了W-Cu复合材料的最新研究进展及其在电触头、微电子、军事、功能梯度材料方面的应用现状,着重总结和分析了目前W-Cu复合材料掺杂改性的分类及原理,以及掺杂改性对材料性能的影响,最后提出了W-Cu复合材料未来发展的潜在问题和值得关注的研究方向。

烧结温度对W-Cu合金微观组织及性能的影响

以W粉和Cu粉为原料,采用粉末冶金和无压烧结的方式,分别在900,1000,1100和1200℃下制备了W-Cu合金。通过对样品的微观组织分析、密度和冲击强度的测试,探讨了不同烧结温度下W-Cu合金的组织及其性能变化。结果表明,随着烧结温度的升高,合金微观组织中的孔隙先减少后增加。在1100℃时,可以得到综合性能最佳的W-Cu合金,其密度和冲击强度分别达到11.51 g/cm^(3)和18.78 kJ/m^(2)。

等离子体技术制备具有亚微米颗粒结构的球化W-Cu伪合金微粉

采用复杂多级方法研究并证实制备具有亚微米/纳米级内部结构的球形W-Cu复合微粉的可能性。首先,采用等离子体化学合成法制备具有核壳结构的W-Cu纳米粉末(W核及Cu壳)。然后,将W-Cu纳米粉末与蔗糖的水悬浮液进行喷雾干燥,形成25~63μm的微粒,收率为50%。最后,用热等离子体射流处理由纳米粉末组成的微粒,形成致密的球形W-Cu颗粒。成品粉末的球化度为90%~95%,体积密度为8.1 g/cm^(3),流动性约为12 s/50 g,杂质中O、C和H的含量(质量分数)分别为0.7%、0.02%~0.2%和0.03%~0.05%。

磁控共溅射W-Cu复合薄膜的工艺优化及性能研究

采用磁控共溅射沉积工艺,结合正交试验方法制备W-Cu复合薄膜。用扫描电子显微镜(SEM)观察W-Cu复合薄膜表面形貌,能谱仪(EDS)分析复合薄膜成分。微小力测试系统、纳米压痕仪及四探针仪分别测试复合薄膜的屈服强度σ_(0.2)、裂纹萌生临界应变ε_(c)、显微硬度H及电阻率ρ。结果表明,靶功率密度PD、溅射气压P及靶基距D_(TS)这三个工艺参数影响W-Cu复合薄膜的成分、沉积率、微观结构及力学和电学性能。优化的工艺参数为:PD=10 W/cm^(2)、P=2 Pa、D_(TS)=150 mm。该工艺条件下制备的W-Cu复合薄膜中Cu含量为42.2%(原子分数),沉积率6.6 nm/min。其性能为σ_(0.2)=0.86 GPa,ε_(c)=0.62%,H=7.35 GPa,ρ=19.6μΩ·cm。该复合膜微观结构呈均质化特征,W和Cu组元分布均匀。

AlN覆钨对AlN/W-Cu复合材料组织和性能的影响

采用溶胶凝胶法对AlN粉体进行表面覆W后,将其与适量W粉混合,经压制、预烧结,制得多孔AlN/W骨架,再熔渗Cu后制备出不同AlN含量(0~8%)的AlN/W-Cu复合材料。考察了AlN含量对于烧结体微观组织、力学性能和热学性能的影响,并与由未覆钨AlN粉体制备的AlN/W-Cu复合材料进行对比。结果表明,采用溶胶凝胶法可在AlN颗粒表面均匀制备覆W层,其界面结合良好。覆钨AlN/W-Cu复合材料的相对密度、硬度、抗拉强度以及热导率均优于未覆钨AlN/W-Cu复合材料的。AlN/W-Cu复合材料的相对密度、抗拉强度及热导率随AlN含量的增加而降低,而硬度随AlN含量的增加而上升。当AlN含量为2%时,覆钨AlN/W-Cu复合材料的综合性能最佳,相对密度达到97.69%,显微硬度达到277HV,热导率达到205.54 W/(m·K)。

纳米W-Cu粉末的均相沉淀法制备及其烧结性能

采用湿化学工艺———蒸氨均相沉淀法, 制备了纳米 CuWO4 ·2H2O/Cu2WO4 (OH)2 均相沉淀物, 然后煅烧、还原, 得到含Cu 30%的W Cu复合粉。将该复合粉压坯在H2 气氛中于不同温度下烧结后, 对烧结体的微结构和物理、力学性能等进行了测试分析。实验结果表明: 蒸氨均相沉淀法制备的 W Cu复合粉体具有纳米粒度和均匀的化学组成, 其烧结活性高, 在较低温度下烧结即可达很高的致密化程度。由上述 W Cu粉体所制备的烧结体具有良好的物理、力学性能。

机械活化粉末制备W-Cu合金的微观组织

为了改善制备工艺和提高Ｗ－Ｃｕ合金的密度与性能，对原料粉末进行了机械活化处 理，通过成形和烧结制备了Ｗ－Ｃｕ合金，考察了活化后粉末的变化，观察了合金的烧结组织并 测量了密度．结果表明，机械活化能增大钨铜粉末的表面能和晶格畸变能，有效地促进烧结，改 善烧结组织；烧结体中存在大量团絮状组织，团粒内部钨颗粒主要以固相方式烧结在一起，而 团粒之间则以液相烧结为主．烧结组织细密、均匀，相对密度达９８％以上；烧结组织中钨铜两相 在微米尺度下仍然结合良好，部分界面出现了互溶．

化学共沉淀-封闭循环氢还原法制备纳米W-Cu复合粉

以H2WO4和CuSO4·H2O(W:Cu=70g:30g)为原料,采用化学共沉淀方法制备W-Cu化合物粉末,其反应条件为:反应温度25℃±1℃,pH值5.0-5.2,陈化时间8h±1h。设计了封闭循环氢还原系统,用此系统进行氢气热还原,不仅使氢气得到充分利用,而且容易判断反应终点。通过系统内的特殊装置除水,降低了还原温度,在600℃下还原得到W和Cu混合均匀的复合粉。其粒径小于70nm。

钨含量对W-Cu复合材料高温变形行为的影响

采用Gleeble-1500D热模拟试验机，在温度为650-950℃、应变速率为0．01-5S、总应变量为0．7的条件下，对25％W-Cu和50％W-Cu（质量分数）复合材料的热变形行为及其热加工图进行研究和分析。结果表明：此两种复合材料的高温流动应力-应变曲线主要以动态再结晶为特征，峰值应力随变形温度的降低或应变速率的升高而增大；在真应力-应变曲线基础上建立的W-Cu复合材料高温变形本构模型较好地表征了其高温流变特性；同时，利用50％W-Cu复合材料DMM加工图分析了其变形机制和失稳机制，确定其热加工工艺参数应优先选择变形温度为650-700℃、应变速率为1-5s^-1，或者变形温度为850-950℃、应变速率为0．01-0．1s^-1。

机械合金化制备的纳米晶W-Cu电触头材料

采用真空高温热压熔渗烧结工艺制备出密度为 99 5 %的纳米晶W Cu电触头材料。其组织结构和晶粒大小采用SEM ,TEM和XRD观察。同时就纳米晶W Cu电触头材料的硬度、电导率、耐电压强度和抗电弧烧蚀性与传统粉末冶金工艺制备的进行了对比分析。结果表明 ,纳米晶W Cu电触头材料的硬度、抗电弧烧蚀性及耐电压稳定性远优于传统熔渗法的W Cu合金 ,而电导率两者相差不大。

深冷处理对W-Cu合金组织与性能的影响

对粉末冶金熔渗技术制备的不同成分的W Cu合金在196℃保温48h条件下进行深冷处理。采用X 射线衍射仪和透射电子显微镜分析了长时间深冷处理的现象与机理。结果表明,深冷处理后铜颗粒在钨基体上弥散析出,出现了短而粗的类马氏体组织。析出的细小弥散的铜颗粒阻碍晶粒粗化和位错移动,铜颗粒部分填充到材料微孔内,同时深冷处理过程中的体积收缩也使材料内的部分缺陷得到弥合(如空位、微孔等),从而使不同成分的W Cu合金的硬度提高,密度增大,电导率降低。

HfO_(2)掺杂对湿化学法制备W-20Cu复合材料微观组织和性能的影响

采用湿化学法制备W-20Cu复合粉体,通过喷雾干燥法得到球壳状前驱体,再通过氢气还原成功将弥散分布的HfO_(2)第二相颗粒引入W-20Cu复合粉体,确定了引入的HfO_(2)在W-20Cu复合粉体中的存在形式以及分布状态。采用高温液相烧结制备了细小HfO_(2)颗粒均匀分布的W-20Cu复合材料。结果表明:由于HfO_(2)颗粒在W颗粒表面和W/Cu界面间隙中弥散分布,抑制了W颗粒在烧结过程中的粗化,从而降低了W-W的连通性,使得W-20Cu复合材料表现出较高的综合性能。其中,烧结温度在1350℃时,块体的致密度较高,均为97%,掺杂0.5%HfO_(2)制备得到的复合材料综合性能最佳,其硬度最大可达到338HV,抗弯强度为826 MPa,热导率为209 W/(m·K)。

W-Cu合金深冷处理及其组织性能研究

对粉末冶金熔渗技术制备的不同成分W Cu合金在 - 196℃ ,保温 4 8h进行深冷处理。采用X射线衍射仪和透射电子显微镜分析长时间深冷处理的现象与机理。结果表明 :深冷处理后铜颗粒以短棒状形态在钨基体上弥散析出。析出的细小弥散的铜颗粒阻碍晶粒粗化和位错移动 ,铜颗粒部分填充到材料微孔内 ,同时深冷处理过程中的体积收缩也使材料内的部分缺陷如空位和微孔得到弥合 ,从而使不同成分的W Cu合金的硬度提高 ,密度增大 ,电导率降低。

残余应力对W-Cu复合材料导热性能的影响

用熔渗法制备的W-cu复合材料在小批量生产时,发现熔渗结束后样品的热导率数据分散不稳定,受熔渗时摆放位置的影响很大。将熔渗结束后的样品退火,采取不同的方式冷却。用X射线衍射法测量其残余应力,用热脉冲法测量其热导率,研究了残余应力对材料导热性能的影响。结果表明：随冷却速度的加快,残余应力值增大,热导率降低。钨和铜的热膨胀系数相差较大,从高温冷到室温时两相收缩程度不一样,冷却速度过快时,在界面处产生残余应力,使材料的热导率降低。分析了残余应力对材料导热性能的影响及机制。

细晶W-Cu材料的导电性能

以喷雾干燥-氢还原W-10%Cu(质量分数)、W-20%Cu、W-30%Cu细晶复合粉末为原料,制备工字型拉伸样,并对粉末成分、烧结温度、保温时间对电导率的影响进行研究。结果表明:3种合金中,在1420℃时W-10%Cu和W-20%Cu的相对密度较大,达99.1%;在1380℃时W-30%Cu出现明显的致密化,相对密度最大,达98.7%。1420℃烧结1.5h后材料电导率达到最大,W-10%Cu、W-20%Cu、W-30%Cu的导电率分别为19、25、30MS/m,分别超过GB/T8320—2003的21.8%、27.2%、23.6%。

机械活化W-Cu粉末的压力烧结

为了改善工艺与提高W Cu合金的密度及性能 ,在对原料粉末进行机械活化处理后进行压力烧结 ,包括加压烧结与气压烧结 ,制备出W Cu合金 ,考察其烧结合金的组织与性能。结果表明 ,机械活化能有效的促进烧结。加压烧结与气压烧结都能够有效地促进合金的致密化。加压烧结时 ,在加压方向上有明显的收缩 ,但在与加压垂直的方向上却略有膨胀。而气压烧结则可以使合金在各个方向上收缩。烧结组织细密、均匀 ,相对密度达 98%以上。压力烧结是提高W Cu合金密度的有效手段。

爆炸烧结W-Cu合金药型罩材料及其性能

利用高能球磨制取W-Cu合金化粉末,采用爆炸烧结的方法制取W-Cu合金药型罩材料。爆炸烧结样品相对致密度达到99.6%,EPMA分析表明样品内各成分及元素分布均匀。对烧结样品作XRD分析,计算其晶粒尺寸为26 nm。使用固结样品加工成W-Cu合金药型罩,显示了良好的成形性。进行无隔板的静破甲实验,并与相同工艺条件下制取的纯Cu药型罩相比,其静破甲深度提高了31.8%。

机械合金化W-Cu固溶体的形成机理

采用W-15%Cu和W-25%Cu两种复合粉,开展了机械合金化诱导W-Cu固溶度扩展机制的研究.研究表明:两种粉末经8 h高能球磨后,Cu固溶入W中形成固溶体.机械合金化诱导W-Cu固溶度扩展的主要机制,一方面是高能球磨过程中所引起的粒子纳米化,形成大量的纳米界面,许多原子“储存”在这些纳米晶界上,诱导W-Cu固溶浓度扩展.另一方面是机械合金化过程晶格严重畸变,晶粒内部生成高密度缺陷,成为溶质快速扩散的网络通道,诱导过饱和固溶体的形成.

熔渗温度及退火温度对W-Cu电子封装材料导热性能的影响

研究了不同熔渗温度及退火温度对W 15Cu电子封装材料热导率的影响 ,结果表明 :对W 15Cu而言 ,使用无氧铜在 14 0 0℃熔渗 ,热导率最高 ,K值可达 193 .5W /(m·K) ;而在 80 0℃下经退火处理 ,热导率可得到明显改善。