專(zhuān)利名稱(chēng)：一種制備高鎢含量、均勻致密W-Cu復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于W-Cu復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，提出了以銅包鎢粉為原料采用冷噴涂技術(shù)制備復(fù)合材料的工藝技術(shù)方法。
背景技術(shù)：
中國(guó)是鎢資源大國(guó)，鎢儲(chǔ)量居世界第一位，這為我們加大對(duì)鎢系高比重合金制品的研發(fā)和生產(chǎn)提供了便利條件。W-Cu復(fù)合材料是由高熔點(diǎn)、低熱膨脹系數(shù)的鎢和高導(dǎo)電、導(dǎo)熱率的銅所組成的既不互溶又不形成金屬間化合物的組織。鎢、銅之間的弱相互作用，使之能具備兩者本征物理性能的有機(jī)組合，因此，被廣泛地用于高性能電觸頭材料、電極材料、 電子封裝材料以及航天和軍工領(lǐng)域高溫用材料等。由于W和Cu兩種材料的熔點(diǎn)相差較大，采用熔鑄方法很難使兩組元之間均勻熔化和熔合，傳統(tǒng)的W-Cu復(fù)合材料制備方法主要采用粉末冶金制備技術(shù)包括熔滲法、活化燒結(jié)法等。熔滲法是將鎢粉壓制成坯塊，在一定溫度下預(yù)燒成具有一定強(qiáng)度和密度的多孔W 基體骨架，然后將熔點(diǎn)較低的金屬Cu熔化滲入到W骨架中，得到較致密的W-Cu合金。但熔滲燒結(jié)時(shí)，液相Cu僅靠W骨架孔隙的毛細(xì)管作用滲入，銅凝固相不容易細(xì)小均勻；而高溫?zé)Y(jié)又會(huì)使W顆粒聚集長(zhǎng)大，最終形成粗大不均勻的組織?；罨療Y(jié)法通常是在W粉中加入少量狗、Ni、Co等活化劑，經(jīng)混粉壓制后，能在較低溫度下燒結(jié)出一定密度的鎢坯，再進(jìn)行浸銅。但活化劑的加入會(huì)顯著的降低W-Cu材料的電導(dǎo)率，同時(shí)活化燒結(jié)后鎢坯的收縮變形較大，并且其燒結(jié)率隨燒結(jié)溫度的不同而變化，鎢坯的密度不好控制，最終導(dǎo)致滲銅后W-Cu 材料的化學(xué)成分偏差較大。這些組織的不致密與不均勻最終影響材料的關(guān)鍵性能如硬度、 斷裂強(qiáng)度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高比重W-Cu合金的性能要求越來(lái)越高。為提高鎢、銅合金的強(qiáng)度和氣密性，要求其具有接近完全致密的密度(相對(duì)密度大于98%)；為獲得特定的物理性能，要求嚴(yán)格控制其成分和微結(jié)構(gòu)形態(tài)；對(duì)復(fù)雜形狀部件的近凈成型，則要求嚴(yán)格控制尺寸及變形等。為了適應(yīng)這些特殊的應(yīng)用要求，W-Cu復(fù)合材料生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和制備新技術(shù)的發(fā)展被不斷推進(jìn)。冷噴涂是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型噴涂技術(shù)，該方法通過(guò)高速固態(tài)粒子與基體發(fā)生碰撞產(chǎn)生塑性變形而形成涂層。利用低溫預(yù)熱的高壓氣體攜帶粉末顆粒經(jīng)縮放型拉瓦爾噴管產(chǎn)生超音速氣-固兩相流，可使顆粒加速到500-1200m/s范圍甚至更高；撞擊過(guò)程中顆粒一部分動(dòng)能在瞬間(約10、)轉(zhuǎn)化為熱能，接觸界面局域溫度瞬間升高，發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)，產(chǎn)生金屬射流及射流混合，然后迅速冷卻產(chǎn)生冷焊作用；后續(xù)高動(dòng)能顆粒重復(fù)這一過(guò)程并通過(guò)夯實(shí)作用最終形成致密涂層。由于噴涂溫度較低，噴涂材料不易氧化，涂層能夠保持原始設(shè)計(jì)成分；另外熱影響小、熱殘余應(yīng)力低，能夠制備厚涂層及塊體材料。然而研究發(fā)現(xiàn)，采用兩組元或多組元機(jī)械混合粉體喂料制備冷噴涂復(fù)合涂層時(shí)， 如果不同組元之間顆粒材料的特性相差較大，則它們的沉積行為及沉積難易程度就會(huì)各不相同，塑性較好的組元顆粒沉積效率較高，塑性較差的組元顆粒沉積效率較低，最終導(dǎo)致涂層中軟質(zhì)相含量較高、硬質(zhì)相含量偏低，使涂層偏離設(shè)計(jì)成分；即使通過(guò)提高混合粉體中硬質(zhì)相的相對(duì)含量也很難從根本上解決上述問(wèn)題。例如，以比例為75W-25Cuwt. %的機(jī)械混合粉為原料，冷噴涂制成的W-Cu復(fù)合材料中W的含量?jī)H達(dá)到20wt%左右，與原始粉末相比損失了近73%。因此，在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了一種以銅包鎢粉末為原料通過(guò)冷噴涂技術(shù)制備W-Cu復(fù)合材料的新方法。由于Cu的變形能力遠(yuǎn)好于W，在冷噴沉積過(guò)程中，W粉表面Cu鍍層更容易發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)而實(shí)現(xiàn)顆粒間的牢固結(jié)合；而且Cu鍍層還可以通過(guò)劇烈變形吸收顆粒動(dòng)能，減少反彈現(xiàn)象，提高沉積效率及組織致密化程度；另外Cu鍍層的隔離作用還可以降低W顆粒的偏聚，使沉積材料組織更好地均勻分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以銅包鎢粉末為原料用冷噴涂技術(shù)制備鎢、銅復(fù)合材料的新方法。粉體喂料采用市場(chǎng)上出售的化學(xué)鍍銅包鎢粉末；為滿(mǎn)足制備涂層中W和Cu含量范圍的要求，購(gòu)買(mǎi)包覆粉時(shí)，可對(duì)一定尺寸范圍W顆粒以及一定厚度范圍Cu鍍層的包覆粉進(jìn)行選擇。冷噴涂設(shè)備是自主設(shè)計(jì)組裝的冷噴涂系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用化學(xué)鍍制備的質(zhì)量比為90W-10Cuwt. %銅包鎢粉末，粉末的粒徑分布在50-100Mm，粉體截面掃描電鏡微觀(guān)組織分析結(jié)果如圖2所示。金屬基板經(jīng)過(guò)超聲波清洗后，用砂紙打磨去除表面氧化皮；然后固定在數(shù)控平臺(tái)上。輸入程序，控制每道次之間的距離在2-3mm之間，以形成一定尺寸面積和厚度的涂層。 噴槍垂直固定在基板上方；噴涂工藝參數(shù)為工作氣體為隊(duì)或He，噴涂距離10-20mm，噴涂氣體壓力2. 5-3. OMPa,氣體溫度400-600°C，基板移動(dòng)速度^0-320mm/min，送粉率15_25g/ min ；其中，所述金屬基板為銅基體或鋁基體。本發(fā)明的有益效果是實(shí)驗(yàn)制備了面積20mm X 30mm，厚度3_5mm的W-Cu復(fù)合材料塊體。對(duì)粉體及涂層進(jìn)行XRD分析發(fā)現(xiàn)，W-Cu復(fù)合材料無(wú)氧化發(fā)生，保持了與粉體喂料相同的組織結(jié)構(gòu)。涂層的掃描電鏡微觀(guān)組織分析發(fā)現(xiàn)，W和Cu兩相分布均勻，無(wú)偏聚發(fā)生。EDS 分析可知涂層中硬質(zhì)相鎢含量比采用混合粉制備的涂層大幅度提高。冷噴涂以固態(tài)顆粒高速撞擊產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形而形成涂層，后續(xù)粒子又對(duì)前期涂層產(chǎn)生夯實(shí)作用，涂層沒(méi)有因熔融狀態(tài)冷卻的體積收縮過(guò)程，因而孔隙率較低；而且還可以通過(guò)后續(xù)致密化處理使材料進(jìn)一步致密化?？梢?jiàn)，本方法制備W-Cu復(fù)合材料具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、成本低，加工靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1冷噴涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2包覆粉截面的SEM組織形貌示意圖。圖3實(shí)施例1的涂層外觀(guān)總體形貌示意圖。圖4原始粉末與涂層的XRD結(jié)果曲線(xiàn)示意圖。圖5涂層橫截面的SEM形貌示意圖。圖中
1.氣源、2.氣體控制單元、3.質(zhì)量流量計(jì)、4.送粉器、5.噴槍、6.測(cè)溫與測(cè)壓儀表、7.基板、8.數(shù)控工作臺(tái)、9.氣體加熱器。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例1
粉體喂料采用市場(chǎng)上出售的化學(xué)鍍銅包鎢粉末，粉體粒度及主要成分為粒徑在 50-100微米的包覆粉，其鎢銅質(zhì)量比為90:10?；w材料采用銅基體，噴涂前將基板表面用超聲波清洗干凈，用240號(hào)砂紙打磨去除表面氧化皮。噴涂時(shí)把基體試樣固定在X-Y-Z三維數(shù)控移動(dòng)工作平臺(tái)上，噴槍固定在工作平臺(tái)的垂直正上方。輸入程序，控制每道次之間的距離在2-3mm之間。噴涂時(shí)平臺(tái)以一定的速度沿X軸方向移動(dòng)，掃描形成一道涂層，一道掃描結(jié)束后平臺(tái)沿著Y軸方向移動(dòng)一定的寬度， 再沿X軸以同樣速度反方向移動(dòng)形成道次搭接，各道次反復(fù)搭接形成較大面積涂層。形成一定面積的涂層后基板再做同種方式運(yùn)動(dòng)，在已有涂層上形成多層沉積，從而實(shí)現(xiàn)厚涂層甚至塊體材料的沉積，所制備厚涂層的實(shí)物照片見(jiàn)圖3。采用自主設(shè)計(jì)組裝的冷氣體動(dòng)力噴涂系統(tǒng)，選擇氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w和送粉氣體。冷噴涂的具體工藝參數(shù)如下工作氣體N2，噴涂距離20mm，噴涂氣體壓力2. 8MPa，氣體溫度 500 0C，工作平臺(tái)移動(dòng)速度300mm/min，送粉率20g/min。對(duì)以上實(shí)例中獲得的涂層進(jìn)行衍射分析可知，涂層物相為W和Cu的機(jī)械混合物， 沒(méi)有利用熱噴涂制備產(chǎn)生的氧化物，見(jiàn)圖4。制備了橫截面試樣，掃面電鏡觀(guān)察涂層厚度可達(dá)3mm，鎢、銅分布均勻，無(wú)鎢或銅的團(tuán)聚，見(jiàn)圖5。EDS分析知涂層中鎢含量約為66wt%，以包覆粉末為原料，W的含量損失約27%，與以機(jī)械混合粉末為原料，W的含量損失70%相比， 鎢的沉積情況有明顯改善。涂層的布氏硬度約為150HB，用FQR7501A渦流電導(dǎo)儀測(cè)得電導(dǎo)率為20. 5mS/m(35IACS%)，用Image-Pro軟件測(cè)得涂層的孔隙率在0. 50%vol左右。實(shí)施例2
粒徑在50-100微米的包覆粉，其鎢銅質(zhì)量比為90 10?；w材料采用鋁基體，噴涂前將基板表面用超聲波清洗干凈，用240號(hào)砂紙打磨去除表面氧化皮。噴涂時(shí)把基體試樣固定在X-Y-Z三維數(shù)控移動(dòng)工作平臺(tái)上，噴槍固定在工作平臺(tái)的垂直正上方。輸入程序，控制每道次之間的距離在2-3mm之間。噴涂時(shí)平臺(tái)以一定的速度沿X軸方向移動(dòng)，掃描形成一道涂層，一道掃描結(jié)束后平臺(tái)沿著Y軸方向移動(dòng)一定的寬度， 再沿X軸以同樣速度反方向移動(dòng)形成道次搭接，各道次反復(fù)搭接形成較大面積涂層。形成一定面積的涂層后基板再做同種方式運(yùn)動(dòng)，在已有涂層上形成多層沉積，從而實(shí)現(xiàn)厚涂層甚至塊體材料的沉積。采用自主設(shè)計(jì)組裝的冷氣體動(dòng)力噴涂系統(tǒng)，選擇氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w和送粉氣體。冷噴涂的具體工藝參數(shù)如下工作氣體N2，噴涂距離10mm，噴涂氣體壓力3. OMPa，氣體溫度 400 0C，工作平臺(tái)移動(dòng)速度300mm/min，送粉率20g/min。實(shí)施例3
粒徑在50-100微米的包覆粉，其鎢銅質(zhì)量比為90 10?；w材料采用銅基體，噴涂前將基板表面用超聲波清洗干凈，用240號(hào)砂紙打磨去除表面氧化皮。噴涂時(shí)把基體試樣固定在X-Y-Z三維數(shù)控移動(dòng)工作平臺(tái)上，噴槍固定在工作平臺(tái)的垂直正上方。輸入程序，控制每道次之間的距離在2-3mm之間。噴涂時(shí)平臺(tái)以一定的速度沿X軸方向移動(dòng)，掃描形成一道涂層，一道掃描結(jié)束后平臺(tái)沿著Y軸方向移動(dòng)一定的寬度， 再沿X軸以同樣速度反方向移動(dòng)形成道次搭接，各道次反復(fù)搭接形成較大面積涂層。形成一定面積的涂層后基板再做同種方式運(yùn)動(dòng)，在已有涂層上形成多層沉積，從而實(shí)現(xiàn)厚涂層甚至塊體材料的沉積。 采用自主設(shè)計(jì)組裝的冷氣體動(dòng)力噴涂系統(tǒng)，選擇氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w和送粉氣體。冷噴涂的具體工藝參數(shù)如下工作氣體N2，噴涂距離25mm，噴涂氣體壓力2. 5MPa，氣體溫度 600 0C，工作平臺(tái)移動(dòng)速度300mm/min，送粉率25g/min。
權(quán)利要求
1. 一種制備高鎢含量、均勻致密W-CU復(fù)合材料的方法，其特征在于，該方法采用冷噴涂技術(shù)，以化學(xué)鍍銅包鎢粉末為粉末喂料，制備W-Cu復(fù)合材料；涂層粉體采用粒徑在 50-100微米的鎢銅質(zhì)量比為90:10的鍍銅包鎢粉末，噴涂用金屬基體；噴涂前金屬基板經(jīng)過(guò)超聲波清洗，用240號(hào)砂紙打磨去除表面氧化皮，噴涂時(shí)把基體固定在X-Y-Z三維數(shù)控移動(dòng)工作平臺(tái)上，噴槍固定在工作平臺(tái)的垂直正上方，在工作氣體為N2或He，噴涂距離 10-25mm，氣體壓力為2. 5-3. OMPa，氣體溫度400-600°C，工作平臺(tái)移動(dòng)速度300mm/min，送粉率15-25g/min ；通過(guò)掃描形成高鎢含量、均勻致密W-Cu復(fù)合材料；其中，所述金屬基體為銅基體或鋁基體。
全文摘要
本發(fā)明一種以化學(xué)鍍制備的銅包鎢粉為原料，該方法采用冷噴涂技術(shù)，涂層粉體采用粒徑在50-100微米的鎢銅質(zhì)量比為90:10的鍍銅包鎢粉末，噴涂用金屬基體；噴涂前金屬基板經(jīng)過(guò)超聲波清洗，用240號(hào)砂紙打磨去除表面氧化皮，噴涂時(shí)把基體固定在X-Y-Z三維數(shù)控移動(dòng)工作平臺(tái)上，噴槍固定在工作平臺(tái)的垂直正上方，在工作氣體為N2或He，噴涂距離10-25mm，氣體壓力為2.5-3.0MPa，氣體溫度400-600℃，工作平臺(tái)移動(dòng)速度300mm/min，送粉率15-25g/min；通過(guò)掃描形成高鎢含量、均勻致密W-Cu復(fù)合材料。該方法制備的復(fù)合材料厚度達(dá)3mm以上，原始粉末與涂層鎢含量的差別與以機(jī)械混合粉末為原料的情況相比明顯減小，涂層在制備過(guò)程中無(wú)材料氧化發(fā)生，具有工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，加工成本低，操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C22C27/04GK102363852SQ201110329570
公開(kāi)日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者周香林, 張濟(jì)山, 張玲, 鄭雄 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)