W-Cu粉末熱擠壓致密工藝及塑性變形研究.pdf

1、W與Cu屬于不互溶材料，也稱為W-Cu復合材料。傳統(tǒng)上一般采取熔滲燒結或液相活化燒結工藝方法制備，但很難獲得高致密度和優(yōu)良的性能（主要為電導率和硬度值）。為了獲得具有優(yōu)良性能的高檔W-Cu材料，一般還要采用真空熱壓或熱等靜壓。由于真空熱壓與熱等靜壓工藝生產(chǎn)效率低，成本高，難以獲得廣泛應用。為了尋找一種能夠替代熱等靜壓方法的新工藝，本文研究了 Cu含量20~50wt.％范圍內(nèi)W-Cu材料粉末熱擠壓致密化，重點研究了粉末包套液相擠壓制備W-

2、Cu材料的工藝。
　　由于 W相再結晶溫度（>1600℃）遠高于Cu相熔化溫度（1083℃）且兩相不互溶，本文提出了兩種粉末熱擠壓塑性變形致密工藝：一種是W-Cu（20~50wt.%）粉末經(jīng)傳統(tǒng)液相燒結制坯后再經(jīng)熱靜液擠壓致密，另一種是W-Cu（20~50wt.%）粉末壓坯不經(jīng)燒結，在1000~1150℃范圍內(nèi)直接包套熱擠壓致密，并重點研究了1100℃下的液相擠壓工藝。同時，W-Cu屬于難變形材料，為了進一步提高材料的性能，也為了

3、使W-Cu產(chǎn)品品種趨于多樣化，還對液相擠壓工藝制備的W-Cu材料的塑性變形進行了研究。
　　復合粉末的均勻程度將嚴重影響到塊體材料的組織性能，本文首先研究了不同的混粉和球磨工藝對W-Cu粉末的影響。相比于機械混粉，低速球磨混粉能夠獲得細小的鎢顆粒均勻分布在銅基體上的復合粉末，為保證W-Cu致密體材料的組織均勻性提供了良好的基礎。對W-Cu材料液相燒結熱靜液擠壓工藝進行了實驗研究。熱靜液擠壓工藝使液相燒結坯料的相對密度、組織和性能得

4、到了進一步的改善。如：W-40wt%Cu擠壓態(tài)坯料相對密度達到98%以上，電導率達到48％IACS，硬度值約為140HV。
　　本文重點研究了W-Cu粉末包套熱擠壓致密工藝，通過實驗得到了擠壓溫度、粉末球磨時間、擠壓比、包套壁厚、銅含量和熱處理工藝等因素對擠壓坯相對密度及組織性能影響的基本規(guī)律。通過對相對密度、銅含量、邊緣銅分布幾方面的研究結果表明，1100℃擠壓可以實現(xiàn)Cu出現(xiàn)液相的液相擠壓工藝，并獲得良好的組織性能。1100℃

5、下擠壓，坯料內(nèi)部出現(xiàn)液相銅，大大提高了擠壓坯的致密化速度和性能；但再提高擠壓溫度，如1150℃下擠壓，坯料內(nèi)部液相銅出現(xiàn)外滲，以及Cu相聚集形成大塊的網(wǎng)狀分布，雖然此時相對密度大幅提高，但坯料導電性能反而大幅降低。如：W-40wt%Cu粉末包套坯料在1100℃液相擠壓，銅相分布均勻，鎢相尺寸細?。?-3μm），相對密度達到97%以上，電導率達到56%IACS，硬度值高達215HV。對于液相擠壓工藝，隨球磨時間增加，擠壓坯相對密度降低，導

6、電性能也有所下降，擠壓比和銅含量的增加都有助于提高擠壓坯的相對密度和導電性能，當銅含量在30~50wt.%時，獲得了良好的擠壓效果。液相擠壓在體現(xiàn)其工藝優(yōu)勢的同時，性能指標也已接近同類材料熱等靜壓工藝的水平。
　　通過數(shù)值模擬研究了粉末包套擠壓過程中粉末多孔體和塑性包套的溫度、應力應變和速度場的分布規(guī)律。討論了擠壓溫度、擠壓速度、擠壓比、包套厚度對坯料內(nèi)部最高溫度及其對應的應力、最大應變以及粉末多孔體和包套流動速度的影響。通過數(shù)值

7、模擬獲得的坯料形狀和擠壓載荷值與實驗得到的結果有很好的一致性。分復壓和穩(wěn)態(tài)流動兩個階段建立了粉末包套擠壓的理論模型。推導得到了復壓階段的致密化方程和靜水壓力表達式，以及穩(wěn)態(tài)流動階段所需擠壓力和擠壓比、包套尺寸、多孔體相對密度的關系。
　　最后，研究了W-Cu液相擠壓致密材料再經(jīng)不同塑性變形后對坯料相對密度、力學性能和組織性能的影響。結果表明，多道次軋制相對密度提高比鐓粗明顯，二次擠壓相對密度提高最大。鐓粗和軋制變形對材料性能提高不

8、明顯，多道次軋制電導率值略大于鐓粗變形，硬度值相差不大。二次擠壓坯料的電導率和硬度提高很顯著，W-40wt.%Cu坯料的電導率高達60％IACS，硬度值超過230HV。
　　與傳統(tǒng)燒結工藝相比，再經(jīng)熱靜液擠壓能提高W-Cu材料的相對密度和性能；而液相擠壓工藝則更進一步，省去了坯料長時間高溫真空液相燒結致密過程，包套液相擠壓一次致密，無需保護氣氛加熱，有著工藝簡單、生產(chǎn)效率高、成本低廉、節(jié)能節(jié)時等優(yōu)點，而且很好的解決了燒結過程中坯料

9、銅相損失嚴重以及坯料成分難以精確控制等問題，在制備含銅30wt.%以上的W-Cu材料方面體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢。本文兩種工藝制備的W-Cu材料性能都比較好。特別是液相擠壓工藝，其相對密度雖然要略低于熱靜液擠壓，但電導率和硬度要提高很多，有望替代熱等靜壓工藝來制備高檔W-Cu材料。
　　目前國內(nèi)外還未查閱到關于熱靜液擠壓和粉末包套熱擠壓工藝制備W-Cu材料的研究和專利的報導，特別是成功實現(xiàn)了液相銅出現(xiàn)的液相擠壓過程。同時，對W-Cu材料塑