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新型鎢銅復合材料的性質及應用

新型鎢銅復合材料的性質及應用

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W-Cu復合材料獨特的性能使其被廣泛用作電接觸器、真空斷路器、熱沉材料等功能和結構器件。由于W、Cu之間較大的性能差異,一直以來W-Cu復合材料的制備工藝都是該領域的研究熱點。目前,傳統工藝存在致密化程度低、微觀組織不均勻或成分受限制等一系列問題,使得W-Cu復合材料無法發揮更大的潛力?,F代電子信息業和國防工業高尖端領域的快速發展對W-Cu復合材料提出了新的發展方向和要求:

(1)探索適用于工業化生產的材料制取工藝;

(2)通過迸一步提高致密度和微結構均勻性得到更高性能的W-Cu復合材料;

(3)開發滿足高科技要求的新型高性能w二Cu復合材料;

(4)拓展W-Cu復合材料的應用領域。

針對以上方面提出以機械合金化技術為基礎結合常壓燒結或熱壓的方法制備高性能細晶W-Cu復合材料、W-Cu/AIN復合材料和W-Cu梯度功能材料。并對其工藝,優化設計及性能等方面進行探索和研究。為今后高性能W-Cu復合材料的實際生產和應用領域的拓展提供理論

依據和數據支撐。

首先,對不同成分W-Cu納米晶復合粉體的機械合金化過程進行了研究,通過對球磨和退火熱處理過程中復合粉體的內部相轉交和成分分布,以及晶粒尺寸、晶格常數、微觀應交和形貌特點等方面的分析,探討了機械合金化制備W-Cu納米晶粉體的工藝特點、粉體的特征和

熱穩定性。W-1 5Cu、W-20Cu和W-30Cu復合粉末在分別球磨30h、40h和60h后均形成了常溫下穩定的W(Cu)過飽和固溶體。在W-15Cu系統中:隨著球磨的進行,復合粉體中W晶粒尺寸逐漸減?。簭秃戏勰┑牧6仍谇蚰ミ^程中呈現先增大后減小的趨勢,球磨30h粉末顆粒

呈多面體狀,表面平滑,平均粒度4#am左右。W(Cu)過飽和固溶體的形成機制為球磨初期,粉體呈現Cu包裹W的包覆結構形態;繼續球磨,包覆結構的復合顆粒進一步細化,包覆層閫距大大減小,形成W、Cu均勻彌散分布的復合組織;球磨30h,形成了組織和成分均一的

W(Cu)過飽和固溶體。W-15Cu納米晶復合粉末在退火熱處理過程中晶格畸變程度降低、內應力釋放,粉體結構有序度明顯提高:球磨過程中形成的W(Cu)過飽和固溶體在500"C退火時開始脫溶。

其次,采用機械合金化技術制備的納米晶W-Cu復合粉體,分別通過常壓液相燒結或熱壓燒結的方法,制備出W-15Cu、W二20Cu和W二30Cu,以及W二C呶%AlN(x==o.25,0.5,1.0,2.0,質量分數)復合材料并對其密度、熱導率、電阻率、電導率等物理性能,以及硬度、抗彎強度等力學性能和顯微結構進行測試和觀察,探討了高能球磨及燒結工藝參數對W-Cu復合材料組織結構和性能的影響,以及高能球磨后粉體的燒結致密化機理。機械合金化技術從細化晶粒、提高粉體組成的均勻度和形成W(cu)固溶體等多方面改善了W-Cu復合粉體的燒結性能,加強了W-Cu之間的相互作用,增大了W-Cu之間的接觸機會,從而大大提高了W-Cu復合材料的致密度和組織的均勻性,是獲得近全致密W--Cu復合材料最佳制備工藝之一。

常壓燒結優化工藝參數為:成型壓力350MPa,燒結溫度為1200℃,保溫90。W-1 5Cu、W-20Cu、W-30Cu復合材料的致密度分別為98。42%,99.10%,99.34%。采用真空熱壓燒結工藝在相對較低的溫

度1050℃,25MPa壓力下燒結90min制備出組織結構更加均勻細小的W-Cu復合材料,三種成分的W-Cu復合材料的致密度分另0達到;97.87%,98.29%,98.94%。少量納米AIN顆粒(≤1wt%)的加入對W-Cu復合材料的致密度影響并不大,在l、vt%加入量時,致密度仍接近98%;納米AIN顆粒均勻彌散分布于基體中Cu相中,提高基體材料中Cu的硬度;但是隨著AIN納米顆粒的含量增加,基體晶界上的增強相顆粒分布過多,影響燒結過程中相鄰W顆粒間結合和材料的致密化,而致使材料的抗彎強度有所下降,但對導熱性能的提高有一定的幫助。

最后,采用有限元方法(Finite Element Method),針對W-Cu梯度功能材料在制備過程中產生的殘余熱應力進行了數值模擬分析。在綜合分析了殘余熱應力大小和梯度層中應力分布狀態等因素的基礎上,確定了三層結構的W-Cu梯度材料,P=2.4時,過渡層Cu含量為33v01%

時的三層W-Cu梯度功能材料w二20%C-33%C.50%Cu具有較好的熱應力緩和效果:四層結構的w二Cu梯度材料,在P=I.4時,模擬計算得出的W-20%Cu/W-29.1%Cu/W-39.2%Cu/W-50%Cu四層均厚的W-Cu復合材料的等效應力具有最小值。并基于上述成分結構研究了W-Cu梯度復合材料的制備工藝,提出先冷壓后低溫熱壓燒結的制備工藝較好的保證了梯度材料具有較高的致密度,同時保持了單層的原始設計成分。所制備W.Cu三層和四層梯度復合材料的層界面結合良好,沒有明顯的裂紋等缺陷;熱導率分別達到198 W·nl。K-1和202 W·m-1K-1,獲得了較高的導熱性能;兩種結構的FGM樣品經800"C溫差的熱震試驗后,界面處沒有發現裂紋和開裂現象,表現出良好的抗熱震性能:熱疲勞試驗結果表明,三層結構和四層結構的梯度材料在分別經過86和143次熱循環后首次出現裂紋,熱疲勞裂紋總是最

先出現在梯度材料的兩端,與熱應力模擬結果一致。

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