鎢銅材料的制備工藝

    鎢銅的熔點(diǎn)相差很大，鎢的熔點(diǎn)為3410℃，遠(yuǎn)高于銅的沸點(diǎn)且鎢銅不互溶，因此鎢銅復(fù)合材料只能采用粉末冶金方法制備。從提高材料的致密度等性能出發(fā)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鎢銅材料的制備工藝進(jìn)行了大量研究，形成了多種燒結(jié)方法，下面將對(duì)其基本情況進(jìn)行介紹。
    1、熔滲法
    熔滲法是將鎢粉壓制成坯塊，在一定溫度下預(yù)燒制備成具有一定密度和強(qiáng)度的多孔鎢基體骨架，然后將熔點(diǎn)較低的金屬銅熔化滲入到鎢骨架中，從而得到較致密鎢銅材料的方法。其機(jī)理主要是當(dāng)金屬液相潤(rùn)濕多孔基體時(shí)，金屬液在毛細(xì)管力作用下沿顆粒間隙流動(dòng)填充多孔鎢骨架孔隙，從而獲得較致密的材料。采用該方法可以改善鎢銅材料的韌性。采用熔滲法所制備的高致密度鎢銅復(fù)合材料，其導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能良好，但因鎢骨架很難做到孔隙全部連通及大小一致，且熔滲后的產(chǎn)品也很難保證銅分布的均勻性，從而勢(shì)必影響到材料性能。隨著粉末增塑近凈成形技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)零部件形狀復(fù)雜程度要求的提高，鎢骨架的制備已由單一的傳統(tǒng)粉末冶金模壓成形向擠壓成形和注射成形方向發(fā)展。如美國(guó)的R M German等人采用注射成形技術(shù)制備鎢骨架，獲得了較好的效果，他們將預(yù)先制備的鎢骨架經(jīng)900℃預(yù)燒，在1500℃熔滲9O～120min，所獲得的合金性能優(yōu)良。由于該方法所制備鎢銅復(fù)合材料的性能優(yōu)良，因此應(yīng)用較為廣泛。然而，采用該方法也有很大的不足，具體表現(xiàn)在熔滲后需要進(jìn)行機(jī)加工以去除多余的金屬銅，增加了后序機(jī)加工費(fèi)用，降低了成品率，而且也不利于在形狀復(fù)雜零部件中采用。
    2、高溫液相燒結(jié)
    高溫液相燒結(jié)是將鎢粉和銅粉按一定比例混合、壓制、液相燒結(jié)而制得鎢銅復(fù)合材料的工藝方法。傳統(tǒng)作法通常在高于銅熔點(diǎn)300℃以上進(jìn)行高溫液相燒結(jié)使其致密化，特點(diǎn)是生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單，但存在燒結(jié)溫度高，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、銅大量揮發(fā)、燒結(jié)性能較差、燒結(jié)密度較低(只為理論密度的90～95)等缺點(diǎn)，不能滿足使用要求。因此，為了提高材料密度，在液相燒結(jié)之后需增加相關(guān)后處理工序如復(fù)壓、熱壓、熱煅等，然而卻增加了工藝的復(fù)雜性，應(yīng)用受到限制。A K Bhallal8 等人采用爆炸壓實(shí)法制備的鎢銅材料，具有較好高溫液相燒結(jié)效果。另外，在高溫液相燒結(jié)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，鎢、銅粉末的粒度大小也影響鎢銅復(fù)合材料的燒結(jié)致密度，粉末越細(xì)，獲得的燒結(jié)致密度越高。
    3、粉末的超細(xì)／納米化及一步燒結(jié)近全致密法
    超細(xì)／納米粉末具有一系列優(yōu)良的特點(diǎn)：如粉末的晶粒細(xì)小，比表面積大，粉末之間的接觸界面大，表面活性大，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力大，在不需要添加任何活化劑的情況下，燒結(jié)溫度低、致密化快，而且致密度高，性能好。因此用超細(xì)粉末制備的鎢銅復(fù)合材料具有非常高的致密度、高的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能、非常細(xì)小且均勻的顯微組織結(jié)構(gòu)，具有傳統(tǒng)常規(guī)方法所制備鎢銅復(fù)合材料無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。超細(xì)／納米鎢銅復(fù)合粉末的制備方法有多種，如機(jī)械合金化(MA)，溶膠一凝膠法(Sol—Ge1)，機(jī)械一熱化學(xué)工藝合成法(Mechano—ThermochemicalProcess)等。
    4、活化液相燒結(jié)
    活化液相燒結(jié)是采用在鎢銅材料中加入微量(0．1 ～0．5 )Pd、Ni、Co、Fe等第三種金屬元素的方法，促使不溶解于銅的鎢相溶解于銅相中，而在液相燒結(jié)過(guò)程中形成含有這些金屬元素的7相。與高溫液相燒結(jié)法相比，該方法不僅降低了燒結(jié)溫度，縮短了燒結(jié)時(shí)間，而且燒結(jié)致密度大大提高。J LJohnsonl1 等人研究了采用過(guò)渡族元素Pd、Ni、Co、Fe對(duì)鎢銅材料燒結(jié)的活化效果。研究表明Co、Fe的活化效果較好，可明顯提高鎢銅材料的致密度，Ni、Pd在W—Cu中的活化效果不明顯，比其在純鎢粉中的活化效果要差，其原因?yàn)镹i、Pd與Cu形成無(wú)限固溶體，不能起到活化效果，而Co、Fe與Cu只形成有限固溶體，在燒結(jié)過(guò)程中微量元素形成的第二相會(huì)在晶界中析出，并形成金屬間化合物，促使鎢的致密化。J L Johnson和R M German等人對(duì)W—lOCu系的研究還表明，當(dāng)Co含量為0．35時(shí)，于1300℃燒結(jié)1h后的材料性能很好?；罨瘡?qiáng)化液相燒結(jié)可使鎢銅材料獲得較高的相對(duì)密度、硬度、抗彎強(qiáng)度等性能。但值得注意的是，活化劑的加入會(huì)影響高導(dǎo)電相銅的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，從而顯著降低了材料的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，這對(duì)要求高導(dǎo)電導(dǎo)熱性的微電子材料來(lái)說(shuō)是不利的。因此該方法所制備的材料只適用于導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能要求不高的場(chǎng)合。