钨钼渗铜材料力学性能及金相组织研究

吴 伟

(金堆城钼业股份有限公司，陕西 西安 710077)

0 引 言

高温用钨(钼)渗铜材料是一种互不相溶的特殊型复合材料，这一复合材料主要由导热、导电性能良好的铜、高强度及高熔点的钨(钼)组成。该类材料具有抗烧蚀、强度高及耐高温等特性，目前已广泛应用于我国军工及航空航天工业领域。基于这一复合材料的高温性能优势和抗烧蚀性特征，可将其用于耐烧蚀部件生产、制造过程中，如喉衬和燃气舵等部件[1]。虽然钼渗铜材料可减轻相关零部件的重量，但其在高温环境下的抗烧蚀性与耐高温性差。因此，其只能用于连接板、配重装置及空气舵等部件的生产制作，这类零部件的的共同生产特征是生产环境温度低。

1 拉伸试验

1.1 试验设计

本试验采用的材料制备原料为中颗粒钼粉和钨粉。其中，中颗粒钼粉的费氏粒度为5.0 μm ,中颗粒钨粉的费氏粒度则为6.64 μm，详细制备工艺流程见图1[2]。

图1 钨钼渗铜材料制备工艺流程示意图

在实际制备操作过程中：

(1)首先需按一定比例标准，对中颗粒钼粉和钨粉两种粉末原料进行混合处理，然后经过冷却静压成型。

(2)与此同时，需要采用高温烧结技术工艺，制作钨钼骨架。

(3)最后需要在渗铜炉中，将金属铜熔渗到已制作好的钨钼骨架中。

(4)除了上述工艺步骤外，所有试验材料都需要全面经过超声波探伤检测技术对制备好的钨钼渗铜材料结构的内部孔洞、裂纹和不均匀、杂质等情况进行检测，若经全面质量检测无明显性能、质量缺陷，则可进入下一制备生产工艺。

1.2 试验流程

在材料力学性能试验过程中，本研究着重考虑钨钼渗铜材料的骨架密度与质量配比。

(1)将质量分数比例分别为15%、35%、55%的Mo粉加入W中，然后进一步分析Mo粉含量变化，对钨钼渗铜材料综合力学性能及外环金相组织结构产生的影响。

(2)针对这一试验，相关研究表明，大部分高温用钨钼渗铜材料的骨架密度均保持在80%左右[3]。所以，按照这一研究结论，本研究在试验设计过程中，分别将该试验材料的骨架密度设置为79%、80%和83%，据此研究分析Mo含量增加变化对高温用钨钼渗铜材料力学性能及金相组织产生的影响。

(3)密度为79%和83%的骨架主要用于抗热震性能和高温抗烧蚀材料的制备。在试验优化过程中，通过相同的渗铜工艺，保持等静压成形压力，不断对烧结工艺进行调整，以满足钨钼渗铜材料的力学性能测试要求。

2 室温拉伸试验结果

2.1 力学性能测试

按照上述试验分析过程，本研究在INST RON-20拉伸试验机中，对制备好的钨钼渗铜材料进行力学性能室温拉伸试验测试，采用的参照技术标准为《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/ T228-2002)；将拉伸速度设定2 mm/min，然后对规格为φ12 mm×65 mm的钨钼渗铜材料进行力学性能室温拉伸试验测试。

在室温试验基础上，本研究还基于《喉衬用钨渗铜制品规范》(GJB 2299A-2005)，分别在800 ℃与1 200 ℃的高温环境下，对制备好的φ10 mm×60 mm钨钼渗铜材料进行力学性能测试。此次测试采用的设备为电子万能试验机(型号为CSS-4450)，试验环境参数条件为：(1)钨钼渗铜材料力学性能测试的升温速度为36 ℃/min；(2)高温拉伸试验速度为1.6 mm/min；(3)保温时间约为6 min；(4)高温拉伸试验的气氛为10～3 Pa的高真空环境。

表1所示数据为室温与高温试验环境下，钨钼渗铜材料的力学性能测试结果。

表1 室温与高温试验环境下钨钼渗铜材料的力学性能测试结果统计

通过表1不同温度条件下，钨钼渗铜材料的力学性能测试结果对比可以看出：(1)在室温与高温两种试验环境下，钨钼渗铜材料均具有良好的性能强度。其中，在室温环境下，骨架密度为83%的钨钼渗铜材料其抗拉强度温度变化范围在476～712 ℃之间；(2)在800 ℃的试验环境下，其抗拉强度变化范围在250～320 ℃之间；(3)在1 200 ℃的条件下，其抗拉力学性能温度值可保持在95～175 ℃之间；(4)在80%的骨架密度设计值下，钨钼渗铜材料的室温抗拉强度值为480～700 ℃。

由此可以看出，当钨钼渗铜材料的骨架设计密度值处于同一水平值时，钼铜材料和钨铜材料的力学性能并不相同。但是，随着Mo含量不断增加，钨钼铜材料的抗拉性能在降低。因此，通过表1中参数对比，即可清晰看出不同试验条件下，钨钼渗铜材料的力学性能测试结果变化趋势。

2.2 金相组织观察

在上述试验分析基础上，本研究通过对高温用钨钼渗铜材料的拉伸断口形貌进行金相组织观察分析，展示了如下几组不同的金相组织示意图：

图2 室温条件下钨钼渗铜材料的拉伸断口形貌

图3 高温(800 ℃)条件下钨钼渗铜材料的拉伸断口形貌

图4 高温(1 200 ℃)条件下钨钼渗铜材料的拉伸断口形貌

通过对不同试验条件下钨钼渗铜材料的拉伸断口金相组织结构示意图进行观察、对比后发现，所有钨钼渗铜材料的拉伸断口处均存在类似于河流花样的解理断裂。当试验骨架密度与温度条件相近时，随着Mo含量不断增多，钨钼渗铜材料沿晶断口比例也在不断增加；同时，其晶粒尺寸却在减小，解理断裂也在减少。对于配比成分相同的钨钼渗铜材料而言，其骨架设计密度参数值越大，解理断裂和晶粒尺寸均会不断增大。在试验过程中，随着钨钼渗铜材料拉伸试验温度不断增加，其断口颗粒间的边界逐渐变得模糊，由此其外形结构会产生变形。

3 结 语

本文通过拉伸试验方法，对高温用钨(钼)渗铜材料进行了力学性能分析及金相组织观察研究。综上试验分析结果可知，通过适当增加Mo的含量，可强化钨钼渗铜材料的力学性能。Mo含量越高，钨钼渗铜材料拉伸断口晶粒尺寸越小，同时，其解理断裂也就越少。所以，试验表明，高温用钨钼渗铜材料不仅能够用于特殊材料生产制造工艺中，而且还可结合此种复合材料性能要求，对其钨钼成分配比试验参数进行适当调整，从而为材料生产制备提供了科学的性能分析依据。

参考文献

[1] 李明林,万亚玲,胡建玥,等.单层二硫化钼力学性能温度和手性效应的分子动力学模拟[J].物理学报,2016,65(17):307-315.

[2] 尹学炜,徐伟力,姚 杰,等.高热导率热冲压模具材料HTCS-130性能的研究[J].材料科学与工艺,2014,22(1):61-67.

[3] 温亚辉,李长亮,张 清,等.粉末粒度对钨钼双金属性能影响[J].稀有金属,2016,40(11):1188-1192.