难熔金属浸渗复合材料力学性能和抗烧蚀性能研究

张保红，林冰涛，唐亮亮

(安泰科技股份有限公司，安泰天龙钨钼科技有限公司，北京 100094)

难熔金属浸渗复合材料力学性能和抗烧蚀性能研究

张保红，林冰涛，唐亮亮

(安泰科技股份有限公司，安泰天龙钨钼科技有限公司，北京 100094)

采用熔渗法制备了两种难熔金属浸渗复合材料，分别为钨渗铜复合材料和钼渗铜复合材料，牌号为W-7Cu和Mo-10Cu。对两种材料进行了物理力学性能，如：室温抗拉强度、高温(800 ℃、1 200 ℃、1 600 ℃)抗拉强度、室温断裂韧度、室温弹性模量以及抗烧蚀性能的对比研究。结果表明：W-7Cu材料具有更好的力学性能和抗烧蚀性能，室温抗拉强度为728 MPa，1 600 ℃抗拉强度达到86 MPa；电弧风洞试验2 500 K温度下，线烧蚀速率为0.231 mm/s。Mo-10Cu材料具有更好的韧性，室温断裂韧度为41 MPa·m1/2。

难熔金属；浸渗；复合材料；力学性能；抗烧蚀

0 引 言

钨钼等难熔金属及其复合材料，由于具有高的熔点以及一些特有的性能，历来被作为高新材料加以发展，在国民经济中占有重要地位[1]。

近年来，随着科学技术的发展，对材料提出了更加苛刻的要求，难熔金属及其复合材料越来越显示出它独特的优越性，尤其是在航空航天、电子信息、能源、冶金、核工业等领域有着不可替代的作用。如：钨(钼)铜复合材料广泛被用作电子封装和热沉积材料，同时，还作为耐高温抗烧蚀材料，广泛应用于航空航天领域。钨(钼)铜复合材料制备方法有多种，主要有高温液相烧结法、熔渗法、活化液相烧结法、机械合金化等[2-19]。本文作者采用熔渗法制备了W-Cu和Mo-Cu复合材料，并对其物理力学性能和高温抗烧蚀性能进行了对比研究。

1 试验方法

1.1 制备工艺

采用熔渗法制备W-Cu和Mo-Cu两种难熔金属浸渗复合材料，分别为W-7Cu和Mo-10Cu牌号。

制备工艺流程：粉末处理→冷等静压→高温烧结→熔渗→机械加工→试样。

1.2 分析测试

1.2.1 微观组织

采用金相和SEM进行组织分析。

1.2.2 力学性能

采用万能电子试验机进行室温抗拉强度和高温抗拉强度分析；采用断裂韧度试验机进行断裂韧度的检测，试样缺口采用直径为0.1 mm的钼丝切割缺口。

1.2.3 弹性模量

检测方法采用悬丝耦合共振法，试样尺寸为φ6×160 mm。

1.2.4 烧蚀试验

采用电弧风洞试验进行高温抗烧蚀试验，烧蚀试验温度为2 500 K。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

2.1.1 抗拉强度

图1为W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的室温抗拉强度和高温抗拉强度。

图1 室温和高温抗拉强度

从数据对比可以看出，室温条件下，W-7Cu材料的抗拉强度更高，达到728 MPa，Mo-10Cu材料的抗拉强度为502 MPa；1 600 ℃真空条件下，W-7Cu材料的抗拉强度达到86 MPa，Mo-10Cu材料的抗拉强度为50 MPa。

对比研究可见，W-7Cu材料的室温抗拉强度和高温抗拉强度都明显高于Mo-10Cu材料。

2.1.2 断裂韧度

图2为W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的断裂韧度。

图2 两种材料的断裂韧度

从数据来看，Mo-Cu 材料的断裂韧度值更高，达到41 MPa·m1/2，而W-7Cu材料的断裂韧度值明显低，仅为14 MPa·m1/2，说明脆性更大。

2.1.3 弹性模量

图3为W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的弹性模量。

图3 两种材料的弹性模量

从数据看，W-7Cu材料的弹性模量更大，为341 GPa，说明W-7Cu材料的维形能力较好，在使用过程中不易发生变形。而Mo-10Cu材料的弹性模量明显较低，为268 GPa，在高温下使用容易发生变形。

2.2 抗烧蚀性能分析

不同材料的烧蚀时间不同，如表1所示，时间的长短是根据当时电弧风洞试验设备的状态确定的，时间过长，材料烧蚀过于严重时会损坏设备的某些部件，此时须停止试验。

表1 W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的烧蚀时间

从烧蚀试验看，W-7Cu材料方案的试验件抗烧蚀时间长一些。Mo-10Cu材料方案的试验件抗烧蚀的时间明显较短。

2.2.1 烧蚀失重分析

对两种材料进行了表1所示烧蚀时间时的烧蚀失重分析，并计算了单位时间内重量损失率，便于不同材料的对比。重量损失率见图4。

从数据可以看出，W-7Cu材料的失重率更大，为4.46%，Mo-10Cu材料的失重率较小，为2.15%；但由于不同材料的烧蚀时间不同，单方面从重量损失率并不能说明问题，因此，本文计算了单位时间的重量损失率，即平均烧蚀1 s时间的重量损失率，便于对比分析。

从单位时间的重量损失率数据来看，W-7Cu材料的单位时间烧蚀失重率更小，为0.14%，说明W-7Cu的抗烧蚀性能明显优于Mo-10Cu材料。

2.2.2 线烧蚀分析

对两种材料进行了表1所示烧蚀时间的线烧蚀情况分析，如图5所示。

图4 两种材料的烧蚀失重情况

图5 两种材料的线烧蚀情况

从线烧蚀率数据可以看出，Mo-10Cu材料的线烧蚀率大，为9.14%，W-7Cu材料的线烧蚀率较低，为7.06%。为了便于对比，计算了线烧蚀速率。从线烧蚀速率来看，W-7Cu的线烧蚀速率远远小于Mo-10Cu材料，为0.231 mm/s，进一步说明W-7Cu材料的抗烧蚀性能更优。

2.2.3 烧蚀形貌分析

材料的烧蚀形貌如图6所示。从烧蚀照片看，材料基本为均匀烧蚀，试样的最前端烧蚀最严重，并且厚度有明显的减薄现象，表面均有氧化现象发生，在试验件表面有明显的钨或者钼的氧化物存在。由于氧化物的熔点低，所以在试验件表面有熔化和被气流冲刷的现象。W-7Cu材料最前端呈现参差不齐的形貌，这与W-7Cu材料的断裂韧度低有关系，表现出了明显的脆性。

W-7Cu、Mo-10Cu材料均为浸渗复合材料，因为铜的熔点较低(1 083 ℃)，试验过程中存在铜的析出现象，反映在试验后试样表面能够看出有熔化的铜存在。铜的蒸发能够起到发汗冷却的效果，有利于提高材料的抗烧蚀性能。

图6 两种材料的烧蚀形貌

2.2.4 微观组织分析

W-7Cu、Mo-10Cu材料均为浸渗复合材料，微观组织结构相似，金相组织为红色铜连续填充在钨(钼)骨架孔隙中，组织均匀。在烧蚀的过程中，有大量的铜析出而导致存在大量孔洞。

以W-7Cu材料为例，说明如下：图7(a)为W-7Cu材料的金相组织，红色的铜均匀填充在钨骨架孔隙中，组织相对均匀。图7(b)为试样烧蚀后的金相组织，有明显的孔洞存在。

图7 W-7Cu材料烧蚀前后金相组织

3 结 论

(1)W-7Cu材料的室温和高温力学性能明显优于Mo-10Cu材料，室温抗拉强度达到728 MPa，1 600 ℃抗拉强度达到86 MPa。

(2)W-7Cu材料的抗烧蚀性能明显优于Mo-10Cu材料，电弧风洞试验2 500 K温度条件下，W-7Cu材料线烧蚀速率为0.231 mm/s。

(3)Mo-10Cu材料的韧性优于W-7Cu材料，室温断裂韧度为41 MPa·m1/2。

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专利名称：一种乳房肿物钼靶二维定位尺

专利申请号：CN201520747661.0

公开号：CN204995499U

申请日：2015.09.25

公开日：2016.01.27

申请人：崔建春

本实用新型提供一种乳房肿物钼靶二维定位尺，是一个片板或片膜，是一个膜片，以膜片一边的中点为圆心有多条等距离的半圆线，从圆心辐射出多条等间隔的经向线，经向线和半圆线是由不透射线且对乳腺组织的影像影响最小的金属制成。其优点在于：不接触患者肤体，定位精确，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

张保红(1972—)，女，硕士，高级工程师，长期从事难熔金属及其复合材料的研究。

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.05.011

E-mail：zhangbaohong@atmcn.com