铜钨合金在快速加热后水冷热冲击下的实验研究

2022-07-15刘冬喜陈宽勇

电子工业专用设备 2022年2期

刘冬喜，陈宽勇

(海拓仪器（江苏）有限公司，江苏苏州215100)

铜钨合金具有良好的导热性，是工业生产中的常见原材料。为了解铜钨合金性能，经过快速加热处理之后，针对水冷热冲击组织实验，观察铜钨合金受到热冲击后产生的力学性能变化。在实验观察阶段运用有限元方法，了解热冲击期间合金温度、热应力分布情况。当增加了热冲击次数之后，铜钨合金材料强度虽然减弱，但韧性增加。热冲击条件下最大热应力是在加热、冷却两个的条件，反复热冲击后，铜钨合金内外承受拉应力、压应力转换之后产生交变载荷。为此，本文围绕铜钨合金在快速加热之后，受水冷热冲击的实验展开分析，按照热弹性效应，计算得出热冲击载荷条件下的铜钨合金内应力。

1 铜钨合金快速冷热冲击测试装置

铜钨合金在快速加热后水冷热冲击的实验，需要用到小型快速冷热冲击测试装置，该装置由主机、测试头组成，其中测试头的作用是对压缩空气进行温度控制，被测元件进行冷热冲击后输出结果。主机则是由控制装置、调节装置等组成，控制装置向测试头传输温度控制数据，调节装置的作用是调节测试头位置。测试头内部安装了涡流机构、加热器，其中涡流机构是由进气口、冷气出口、热气出口组成，负责压缩空气的降升温处理；加热器主要包括进气端、出气端。在测试过程中需按规定的操作流程、安全事项、约束条件等要求操作测试装置，避免发生危险事故，而导致人员和财务损失。

2 铜钨合金在快速加热后水冷热冲击实验过程

实验材料为铜钨合金，材料制备是在烧结钨骨架的过程中渗透铜，钨粉的使用粒度在4～6μm之间。铜钨合金在实验之前需要对其退火处理，钨、铜对应的标称质量分数依次为70%、30%[1]。快速加热后的热冲击试验，铜钨合金需要提前加工为拉伸试样，热冲击过程中，实验人员将试样放置到电阻炉内部，调整温度为250℃，加热处理2 min，时间到后将试样取出，置于20℃的水中进行快速淬火处理，处理时间约1 min。在热冲击循环分别进行了25次、50次之后，实验人员需要使用计算机伺服控制材料试验机，由其负责具体的拉伸试验。

针对内部温度、热应力的实验测试，建议应用轴对称模型进行有限元分析。从模型分别从两个阶段施加载荷[2]。第一，设置初始温度为20℃，实验样本中设置对流、900℃辐射边界条件；第二，设置初始温度是900℃，而且只采用20℃的环境温度下的对流边界条件。最后，实验过程中设置铜钨合金热机械性能参数，具体如表1所示，观察快速加热后水冷热冲击导致的变化。

表1 铜钨合金热机械性能参数

3 结果分析与建议

3.1 机械性能

通过热冲击实验，铜钨合金的屈服强度和极限强度曲线分别如图1和图2所示。在实验过程中经过了50次热冲击之后，观察材料的屈服强度、极限强度变化，屈服强度从408 MPa降到355 MPa，极限强度从619 MPa降到544 MPa。铜钨合金延伸率则由原本的3.1%提升至5.0%。CuW70观察铜钨合金断裂面，断裂表面主要表现出钨晶粒边界分离、钨/铜界面分离、钨晶粒解理和铜断裂4个现象[3]。通常断裂表面大部分区域会发生钨颗粒晶间断裂、铜相韧性撕裂的现象。反复50次热冲击，观察铜钨合金材料，发现凹坑深，且均匀性增加，凹坑数量更多。分析该现象，表示热冲击之后的铜钨合金塑性变形、塑性变形显著增多。

图1 热冲击的铜钨合金屈服强度曲线

图2 热冲击的铜钨合金极限强度曲线

3.2 热应力

铜钨合金试样在实验过程中，实验人员需要观察试样的内应力分布情况。当加热、淬火两项操作结束之后，发现铜钨合金不同位置的温度、环境温度相似度极高，代表铜钨合金试样和外部介质平衡已经达到了热平衡状态，而且应力近似为零值。快速加热后水冷热冲击操作期间，最大热应力是在加热、淬火环节开始出现，而且在1 s时就已经有第一主应力分布。观察铜钨合金热冲击实验的热应力变化，发现淬火过程中的热应力和加热环节产生热应力相比，前者较高。拉伸应力加热期间，对比淬火环节压缩应力，会有部分发生变化。因为实验环节反复施加热冲击，各个振幅条件下的交替应力，会在铜钨合金试样各个位置施加。另外，当时间不断延长之后，各个位置的轴向应力、径向或周向应力，特别是轴向应力呈降低趋势，周向应力与轴向应力更是占据主要作用。

虽然热应力和最终强度相比较小，而且只是在弹性阶段存在。但因为铜相、钨相两者的热膨胀系数无法完全匹配，铜钨合金的铜相更是会有明显塑性变形产生。鉴于此，铜相可施加交变载荷，加强铜钨合金组织的均匀性，由此提高铜钨合金塑性[4]。另外，因为钨晶粒存在尖锐边界，所以部分钨/铜界面有应力集中现象。当热冲击次数开始增多之后，钨/铜界面强度开始降低，因此铜钨合金损伤值发生变化，降低了铜钨合金强度。反复热冲击期间可能产生弹性变形，所以此次实验展开单次热冲击模拟，针对热冲击全过程进行分析。为了更加真实地了解铜钨合金快速加热之后水冷热冲击条件下各个相、界面的内部力学机制，还需要在今后的研究中，着手于细观层次展开模拟实验分析。

3.3 实验结论

通过观察铜钨合金快速加热之后的水冷热冲击实验过程，发现热冲击次数增多之后，铜钨合金塑性得到显著改善，但是合金强度却会降低。热冲击加热与淬火两个环节，内部应力受到热冲击之后，在热冲击的初期便可达到最大值，而且在时间延长之后内部应力逐渐减小。每次热冲击结束，同时恢复为零。拉伸应力、压缩应力分别产生于铜钨合金试样的内、外部，而且会在不同的热冲击过程中发生替换。铜钨合金施加交变载荷，此时可能会使铜相出现塑性变形以及损伤[5]。