放电等离子烧结制备钨铜复合材料工艺研究

徐玄 戴琴 欧邯

【摘 要】钨是一种高密度，高熔点，高强度，低热膨胀系数的稀有金属，而铜具有良好的导热性和导电性。两种金属元素既不相溶也不形成金属化合物，熔点差是非常大的（钨3410℃，铜1084.5℃），所以钨铜复合材料是由体心立方钨颗粒和面心立方铜结合相组成的复合材料。本文重点介绍制备钨铜复合材料的工艺，并讨论了钨铜复合材料的应用方向。

【关键词】钨铜复合材料；应用；制备工艺

中图分类号： TF124.5；TB33 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0103-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.047

【Abstract】Tungsten is a rare metal with high density，high melting point，high strength and low coefficient of thermal expansion，while copper has good thermal and electrical conductivity.The two metal elements neither dissolve nor form metal compounds，and the melting point difference is very large（tungsten 3410°C，copper 1084.5°C），so the tungsten-copper composite material is composed of body-centered cubic tungsten particles and face-centered cubic copper bonded phases.Composite material.This article focuses on the process of preparing tungsten-copper composites and discusses the application of tungsten-copper composites.

【Key words】Tungsten-copper composite；Application；Preparation process

0 前言

钨铜复合材料由于其特点优异而被广泛应用于大容量真空断路器和微电子领域，钨具有熔点高，线膨胀系数低，强度高的特点，铜具有良好的导热性能以及导电性能：两种金属都有各自的优点，但钨和铜互不相容，粉末冶金技术制造的钨铜复合材料既具有钨和铜的优点，又能满足使用要求材料在许多领域。

1 钨铜复合材料的制备工艺

近年来，钨铜复合材料已在国内外得到应用，生产技术有了很大的发展，新的工艺和技术得到了广泛的应用。

1.1 普通烧结

普通烧结属于传统的粉末冶金方法，首先将钨粉和铜粉称量混合，然后压制成型并烧结。普通烧结工艺简单，成本低，但这种液相烧结易于由于高温导致的钨晶粒的粗糙度。问题在于难以获得组成均匀的合金，并且通过机械合金化技术，粉末在压缩烧结之前可以在原子水平上均匀混合。W粉末中具有Cu相的复合粉末略高于Cu。密度超過94%的W-Cu材料可以通过短时间在熔点以上的温度下烧结而获得，这特别适用于制备低铜含量的W-Cu材料。由于超细粉末具有较高的表面活性，在较低的烧结温度和较短的烧结时间下可致密化。 Li Y.等人氧化后进行3～6小时的高能球磨，在630℃下得到均匀分散在0.5μm以下的钨-铜复合粉末。W-20Cu合金是将复合粉末在1200℃ 的环境下烧结60分钟，热导率为210Wm-1K-1，致密度为99.5%。常见烧结设备要求不高，工艺相对简单。

1.2 熔渗

首先将与少量诱导铜粉混合的钨粉或钨粉制成生坯，然后在还原气氛或真空下在900℃至950℃下预烧结以获得一定的强度多孔钨骨架。Cu金属或压制的Cu坯放置在多孔钨骨架上或下面。在比Cu的熔点高的温度下烧结称为渗透， 并且多孔钨骨架完全浸入较低的熔点。在铜熔体中获得致密的产物的方法称为熔融浸渍。在多孔钨骨架的毛细作用下，铜熔体渗透（浸出）到钨骨架的孔隙中以形成铜网分布。渗入密度通常理论密度在97%～98%之间，因为烧结骨架中总是存在极少量的不能填充浸润金属的闭孔，浸润后可通过冷热加工进一步提高密度。目前，这种工艺已经在一些大中型高压下断路器和真空开关用于生产钨基触点，浸入工艺困难，但所得触点材料组成均匀且性能良好。

1.3 热压烧结

热压（也称为压力烧结）涉及将粉末装入模腔中，在压制时将粉末加热到正常烧结温度或更低，并在短时间后烧结成致密且均匀的产品。压制和烧结工艺同时完成，在低压下可快速获得冷压烧结无法获得的密度。然而，热压技术要求模具成本高，成本高，单件生产效率低。它在生产中不常用。周建建等人在1800℃，炉压为18N/mm3和2h的条件下生成了钨铜功能梯度材料，理论密度为94.6%，富铜含量高达22.55vo1.%。对于钨 - 铜复合材料，热压烧结还需要氢气保护或真空烧结，导致高的生产成本。

1.4 活化烧结

通常，为了加速钨铜复合材料在烧结过程中的致密化过程，可以通过添加其他合金元素来实现，Johnsom et al。表明Co和Fe的活化烧结效果最好，因为Co和Fe都存在于Cu中。其溶解度受到限制，在烧结温度下可与W形成稳定的中间相，形成大量高扩散界面层，促进固相W的烧结。对于W-10Cu材料，Fe或Co是0.35%至0.5%。密度，强度和硬度似乎是最佳的。另外，添加激活剂的方式显示出多样性。将W粉末直接加入含有活化剂离子的盐溶液中，然后在低温下干燥以获得均匀的表面。然后将活性剂覆盖层的W粒子在化学涂覆的粉末压块上烧结以获得密度高达97%的钨铜复合材料。

然而，活化剂的添加相当于引入杂质元素，这增加了电子在传导和热传导过程中的散射，从而显着降低了钨铜复合材料的热导率和电导率。这一观点是基于实验结果Hwang KS。事实证明，用于制备钨-铜材料的活化烧结的最大缺点是显着降低了钨-铜材料的导电性和导热性，但由于其方法简单且生产成本低，钨铜仍然需要性能要求较低的产品。

1.5 注射成形

通过注塑生产W-Cu材料有两种主要方法。首先，钨铜混合粉末用于注射成型后的直接烧结。例如，Kim JC等人获得粉末填充量为45%-50%（体积分数）的注塑部件，直接烧结后的成品密度高于96%，其次是注入所形成的钨钢坯，然后渗入烧结，如杨B.其他人研究了10%，15%，20%（质量分数）钨铜材料的注塑成型，粉末填充量为52%（体积分数）。在两个脱脂步骤之后，将钨块在1150℃下预烧结30分钟。最后，在1150℃熔化5min，W-15Cu渗透的密度达到99%。对于W-Cu材料来说，注塑成型的最大优点是大规模生产小型复杂零件或细长棒材。

1.6 功能梯度法

钨铜功能梯度材料主要源于传统均质材料不能满足高功率和其他使用条件的要求。作为梯度材料，它可以是高熔点，高硬度钨或高钨钨一端为铜材料，另一端为高导电导热导电，最好为韧性铜或低钨钨铜材料，中间是组成不断变化的过渡层，可以很好地缓解热效应由W和Cu的热性质之间的不匹配引起的应力。具有良好的力学性能，耐烧蚀性，抗热震性等综合性能。报道采用热等静压扩散接合法可以将不同组织的钨铜材料组合成梯度。此外，一些特殊的成形工艺也可以实现等离子喷涂，激光熔覆，电泳沉积和离心等部件的梯度分布铸造等。功能梯度法的核心是材料的功能梯度设计和优化，可以通过数学算法辅助，计算机有限元分析软件辅助实施。

2 钨铜复合材料的应用

2.1 电触头材料

目前钨铜复合材料的主要用途是电触头，特别是高压和超高压开关电器的触头。开关电器中电触头材料的功能是连接和断开电路。在电气开关中，它是非常重要的接触元件。罗昊采用热压烧结渗透法制造了三种铜钨合金触头。CuW50，CuW70和CuW80具有不同的连续相，随着钨含量的增加，其密度和硬度增加，电导率显着下降。吴婷采用粉末冶金法制备铜基电触头材料，铜钨钨碳化物/铜双层产品以及CuW/WC复合材料将高铜导电性与高导热性结合在一起。

2.2 微电子技术应用

由于钨铜复合材料具有较高的导热性和导电性，近年来已用于大规模集成电路和高功率微波器件，作为电子封装材料，钨铜的高耐热性和耐热性微电子器件中的热膨胀系数可与半导体材料如硅片，砷化镓和陶瓷材料很好地匹配。任树斌等其他人则主要致力于满足高功率微波设备。W-Cu传统电子封装材料在中国的制备和应用技术已经非常成熟，并已形成工业化生产。

2.3 高温用钨铜复合材料

钨铜复合材料广泛应用于固体火箭发动机喷嘴，喉管衬里，气舵，防护装置和紧固件等。这些材料的应用，特别是在喉衬和气舵中，相对成熟，已经形成了相应的标准。固体火箭发动机的关键部件，如方向舵和喷嘴喉部衬里在工作环境中非常恶劣。点火时的温升约为2000℃/s，工作温度通常约为3000℃。钨铜复合材料的温度高达3000℃，当温度高于此温度时，两相结构中所含的铜会汽化并吸收大量的热量，这会显着降低表面的温度钨铜组件，允许它在高温环境下使用。用于军事防御的钨铜复合材料需要耐高温，热冲击和侵蚀的材料。这种应用通常使用ω（Cu）=5%-10%的钨铜复合材料。钨骨架毛孔具有良好的连接性。并且具有良好的毛细管作用，以确保在高温下使用时，铜不仅能够很好地汽化而不会造成太快的挥发损失。

3 结语

钨铜复合材料具有重要的研究价值和广阔的应用前景，其制备方法各有优缺点，需根据实际情况和要求进行选择。随着科学技术的发展和科研人员的努力，新的制备技术将逐步发展，形成和烧结机理和方法将得到进一步研究，同时，钨铜复合材料的特殊性能将在更多領域得到体现和应用。

【参考文献】

[1]高维娜，王庆相，杨怡，范志康.靶材用钨铜复合材料的制备工艺[J].稀有金属材料与工程，2010，39（05）：892-895.

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