[发明专利]一种W/Cu功能梯度材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种W/Cu功能梯度材料及其制备方法，属于增材制造技术以及粉末冶金领域。本发明中的W/Cu功能梯度材料的结构一面为纯钨基板，另一面为纯铜基板，两基板之间由多孔钨骨架渗铜形成梯度材料进行连接，其中的多孔钨骨架由3D打印进行制备，然后通过渗铜法制得多孔钨骨架渗铜梯度材料；该梯度材料所含元素及质量百分含量为：W，50％；Cu，50％。本发明采用数字化增材制造技术能快速地成形具有多孔隙地钨骨架复杂结构，且能准确地控制钨骨架孔隙的均匀分布、质量的梯度分布，为制备严格意义上的W/Cu功能梯度材料提供了新技术手段。

技术领域

本发明属于增材制造技术以及粉末冶金领域，尤其涉及一种W/Cu功能梯度材料及其制备方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，对特殊环境下工作材料的要求日益提高，普通的陶瓷、金属及复合材料的各项性能已经很难满足苛刻条件下对其性能的需求。在这种条件下，功能梯度材料应运而生，它将材料科学与物理、化学、计算机等学科进行交叉渗透，并引入新理论技术及实验技术。功能梯度材料(FGM)是指通过连续地改变两种或两种以上性质不同的材料的结构、组成、密度等，使其内部界面减小甚至消失，从而得到材料成分非均匀变化而性能呈连续平稳变化的新型非均质复合材料。梯度材料在保留普通复合材料优点的同时，又引入组成梯度变化的设计思想，有效的克服了宏观界面存在的不利影响。FGM的主要优势体现在可以连接两种不相溶的材料，提高粘结强度，减少不同材料之间存在的残余应力及裂纹驱动力，有效消除不同材料界面之间的交叉点。

钨铜功能梯度材料是近年来兴起的一种新型钨铜复合材料，其一端是高熔点、高硬度、低热膨胀系数的金属钨或低含铜的钨铜；另一端是高导热、高导电、塑性好的金属铜或是高含铜的钨铜；中间是组成呈梯度变化的过渡层，这种新型非均质复合材料将W、Cu的不同性能溶于一体，能够很好的解决因熔点相差较大而存在的连接问题，很好的缓和W、Cu之间的热应力，有利于W、Cu充分发挥各自的本征特征，获得较好的力学性能、抗烧蚀性、抗热震性等综合性能。W/Cu功能梯度材料的这些优点拓展了其应用领域，吸引了研究者们的兴趣。尤其是在面对等离子部件及电子材料领域中的应用，其既能承受高能热流的冲击，又能很好的解决与陶瓷基板的封接问题。此外，在高温条件下，铜蒸发吸热会产生自冷却的作用效果。因此，其在电工电子、军工及能源领域得到了较为广泛的应用。

虽然W/Cu功能梯度材料应用范围广，但其制备工艺情况不太乐观，熔渗法是制备该材料的一种重要方法，它是将W粉压制成坯块，在一定温度下预烧制备成具有一定密度和强度的多孔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，从而得到较致密的W-Cu合金的方法。其机理主要是在金属液相润湿多孔基体时，在毛细管力作用下，金属液沿颗粒间隙流动填充多孔W骨架孔隙，从而获得较致密的材料，采用该方法可以改善W-Cu材料的韧性。然而，对于W骨架的制备，传统的烧结、有机溶蚀以及水煮溶解造孔难以精确控制W骨架的孔隙分布，难以获得0～100％严格意义上的梯度材料，从而导致成形的材料难以满足设计要求，产生功能缺陷。因此，孔隙分布不均及W骨架几何结构复杂性的限制是制约W/Cu功能梯度材料广泛应用的瓶颈，采用一种用于制造复杂W骨架孔隙结构的先进加工方法具有巨大的需求。数字化增材制造技术的出现为解决上述问题提供了难得的机会。数字化增材制造技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，通过这种技术，具有复杂几何结构的零件易于准确成形。在成形的过程中，系统的工作过程是将三维模型切片离散及扫描路径规划，得到可控制激光束扫描的切片轮廓信息，然后计算机逐层调入切片轮廓信息，通过扫描振镜，控制高能激光束有选择地熔化金属粉末，逐层堆积成与模型相同的实体。可见，数字化增材制造技术由于其在电脑的精确控制下，以及对于成形材料以及复杂结构的包容性，可以准确的生产出具有复杂三维结构并且孔隙分布均匀的的W骨架，为严格制备W/Cu功能梯度材料提供了必要保障。

发明内容

有鉴于此，本发明采用数字化增材制造技术制得了一种连续梯度变化的W/Cu功能材料。