[发明专利]一种制备高钨含量、均匀致密W-Cu复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于W-Cu复合材料的制备技术领域，提出了以铜包钨粉为原料采用冷喷涂技术制备复合材料的工艺技术方法。

背景技术

中国是钨资源大国，钨储量居世界第一位，这为我们加大对钨系高比重合金制品的研发和生产提供了便利条件。W-Cu复合材料是由高熔点、低热膨胀系数的钨和高导电、导热率的铜所组成的既不互溶又不形成金属间化合物的组织。钨、铜之间的弱相互作用，使之能具备两者本征物理性能的有机组合，因此，被广泛地用于高性能电触头材料、电极材料、电子封装材料以及航天和军工领域高温用材料等。

由于W和Cu两种材料的熔点相差较大，采用熔铸方法很难使两组元之间均匀熔化和熔合，传统的W-Cu复合材料制备方法主要采用粉末冶金制备技术：包括熔渗法、活化烧结法等。熔渗法是将钨粉压制成坯块，在一定温度下预烧成具有一定强度和密度的多孔W基体骨架，然后将熔点较低的金属Cu熔化渗入到W骨架中，得到较致密的W-Cu合金。但熔渗烧结时，液相Cu仅靠W骨架孔隙的毛细管作用渗入，铜凝固相不容易细小均匀；而高温烧结又会使W颗粒聚集长大，最终形成粗大不均匀的组织。活化烧结法通常是在W粉中加入少量Fe、Ni、Co等活化剂，经混粉压制后，能在较低温度下烧结出一定密度的钨坯，再进行浸铜。但活化剂的加入会显著的降低W-Cu材料的电导率，同时活化烧结后钨坯的收缩变形较大，并且其烧结率随烧结温度的不同而变化，钨坯的密度不好控制，最终导致渗铜后W-Cu材料的化学成分偏差较大。这些组织的不致密与不均匀最终影响材料的关键性能如硬度、断裂强度、电导率、热导率等。

随着科学技术的发展，对高比重W-Cu合金的性能要求越来越高。为提高钨、铜合金的强度和气密性，要求其具有接近完全致密的密度（相对密度大于98%）；为获得特定的物理性能，要求严格控制其成分和微结构形态；对复杂形状部件的近净成型，则要求严格控制尺寸及变形等。为了适应这些特殊的应用要求，W-Cu复合材料生产工艺的改进和制备新技术的发展被不断推进。

冷喷涂是近年发展起来的一种新型喷涂技术，该方法通过高速固态粒子与基体发生碰撞产生塑性变形而形成涂层。利用低温预热的高压气体携带粉末颗粒经缩放型拉瓦尔喷管产生超音速气-固两相流，可使颗粒加速到500-1200m/s范围甚至更高；撞击过程中颗粒一部分动能在瞬间（约10^-8s）转化为热能，接触界面局域温度瞬间升高，发生绝热剪切失稳，产生金属射流及射流混合，然后迅速冷却产生冷焊作用；后续高动能颗粒重复这一过程并通过夯实作用最终形成致密涂层。由于喷涂温度较低，喷涂材料不易氧化，涂层能够保持原始设计成分；另外热影响小、热残余应力低，能够制备厚涂层及块体材料。

然而研究发现，采用两组元或多组元机械混合粉体喂料制备冷喷涂复合涂层时，如果不同组元之间颗粒材料的特性相差较大，则它们的沉积行为及沉积难易程度就会各不相同，塑性较好的组元颗粒沉积效率较高，塑性较差的组元颗粒沉积效率较低，最终导致涂层中软质相含量较高、硬质相含量偏低，使涂层偏离设计成分；即使通过提高混合粉体中硬质相的相对含量也很难从根本上解决上述问题。例如，以比例为75W-25Cuwt.%的机械混合粉为原料，冷喷涂制成的W-Cu复合材料中W的含量仅达到20wt%左右，与原始粉末相比损失了近73%。因此，在相关研究基础上，本发明提出了一种以铜包钨粉末为原料通过冷喷涂技术制备W-Cu复合材料的新方法。由于Cu的变形能力远好于W，在冷喷沉积过程中，W粉表面Cu镀层更容易发生绝热剪切失稳而实现颗粒间的牢固结合；而且 Cu镀层还可以通过剧烈变形吸收颗粒动能，减少反弹现象，提高沉积效率及组织致密化程度；另外Cu镀层的隔离作用还可以降低W颗粒的偏聚，使沉积材料组织更好地均匀分布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以铜包钨粉末为原料用冷喷涂技术制备钨、铜复合材料的新方法。粉体喂料采用市场上出售的化学镀铜包钨粉末；为满足制备涂层中W和Cu含量范围的要求，购买包覆粉时，可对一定尺寸范围W颗粒以及一定厚度范围Cu镀层的包覆粉进行选择。

冷喷涂设备是自主设计组装的冷喷涂系统，系统结构如图1所示。采用化学镀制备的质量比为90W-10Cuwt.%铜包钨粉末，粉末的粒径分布在50-100μm，粉体截面扫描电镜微观组织分析结果如图2所示。