鎢鉬復(fù)合雙金屬界面研究

朱 琦，王 林，楊秦莉

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西西安，710077）

0 前言

層狀金屬?gòu)?fù)合材料是利用材料復(fù)合技術(shù)使2種或2種以上物理、化學(xué)、力學(xué)性能不同的金屬在界面實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的一種新型復(fù)合材料［1］。目前國(guó)內(nèi)外雙金屬?gòu)?fù)合材料的制造方法有很多，每種方法都有自身的特點(diǎn)和適用范圍［2～3］。鎢鉬復(fù)合靶是CT、XRT等醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵組件，其制備方法有粉末冶金法、化學(xué)氣相沉積法和真空等離子噴涂法等。隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，粉末冶金法以其優(yōu)良的性價(jià)比成為了難熔雙金屬?gòu)?fù)合材料的主要制備方法，特別是在鎢錸靶的制備上顯示了極大的成本優(yōu)越性。

本文采用不同于傳統(tǒng)意義上的粉末冶金方法，采用漿料流延法制漿［4］，干燥成生坯或者進(jìn)行噴霧干燥制粉后再軋制成膜作為鎢面層，然后與鉬粉進(jìn)行復(fù)合壓制和燒結(jié)的工藝制備出鎢鉬復(fù)合靶。

1 試驗(yàn)方法

選擇工業(yè)用鎢粉和鉬粉，首先在鎢粉中加入一定含量的粘結(jié)劑制成與鉬粉壓制性能大致相同的薄膜，放在模具的底部后加入鉬粉；然后采用模壓結(jié)合法使得鎢鉬粉體獲得初步結(jié)合；最后在適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝下獲得界面結(jié)合良好的鎢鉬雙金屬坯料。本文試驗(yàn)制備了鎢鉬復(fù)合靶的最終尺寸為 φ70× 7.5mm，其中鎢層厚度為1.5 mm。試樣制備完成后進(jìn)行取樣并分析其微觀結(jié)構(gòu)及界面的結(jié)合情況等。

用掃描電鏡（SEM）觀察結(jié)合界面附近的組織及沿結(jié)合面撕裂后剝離面的形貌，用能譜分析儀（EDS）進(jìn)行微區(qū)成分分析；對(duì)剝離面用X射線衍射儀（XRD）進(jìn)行物相分析；并對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度及其影響進(jìn)行了定性分析和討論等。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 W/Mo雙金屬?gòu)?fù)合材料的界面形貌

通過(guò)直接壓制燒結(jié)后的試樣經(jīng)拋光侵蝕后可以清楚地顯示出鎢層與鉬層復(fù)合交界處的微觀結(jié)合形態(tài)（見(jiàn)圖1）。從圖中可以看出，在鎢鉬界面沒(méi)有新合金相生成，他們的結(jié)合是冶金結(jié)合，利用X射線能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析也表明（見(jiàn)圖2），在從鎢層向鉬層的過(guò)渡中，鎢鉬元素成分含量發(fā)生梯度變化，并均保持原材料基體的成分。

圖1 鎢鉬界面微觀組織

界面擴(kuò)散的能譜分析結(jié)果表明，鎢/鉬界面發(fā)生顯著互擴(kuò)散，鎢鉬間擴(kuò)散層的厚度約為100 μm。鎢鉬擴(kuò)散層能夠顯著增加鎢鉬間的界面結(jié)合力，能夠保證在熱應(yīng)力狀態(tài)下的結(jié)合力。從制備的鎢鉬復(fù)合靶的加工情況看，鎢鉬界面平直、結(jié)合牢固，該工藝可以制備出合格的鎢鉬復(fù)合靶。

2.2 W/Mo雙金屬?gòu)?fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)W/Mo復(fù)合靶在使用過(guò)程中的動(dòng)平衡，就必須保證W/Mo雙金屬的完好復(fù)合和良好的界面平整度。鎢粉和鉬粉同屬于硬顆粒，在壓力作用下顆粒間以彈性變形方式為主，由于二者粉體硬度、彈性模量、壓制曲線、彈性后效等差異較大，常規(guī)方法很難將二者復(fù)合壓制在一起；尤其是為保證鎢鉬界面的平直度，事先需要將鎢層或者鉬層進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓導(dǎo)致粉體的壓制復(fù)合性能進(jìn)一步惡化，增加了壓制復(fù)合的難度。因此，需要在鎢粉中加入粘結(jié)劑并制成薄膜，然后經(jīng)過(guò)平整后進(jìn)行復(fù)合壓制。圖3為加入粘結(jié)劑的鎢薄膜在預(yù)壓和未預(yù)壓后復(fù)合雙金屬的宏觀組織形貌。

圖2 EDS界面成分分析

圖3 不同工藝獲得界面結(jié)構(gòu)形態(tài)

從圖3a中可以看出，經(jīng)過(guò)預(yù)壓后的界面平直度較好，有利于保證試樣在使用過(guò)程中的動(dòng)平衡，從而達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量的要求。而未經(jīng)過(guò)預(yù)壓的W/Mo復(fù)合雙金屬界面為不對(duì)稱波浪形（圖3b），將影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。

2.3 界面結(jié)合機(jī)理

基體金屬原子擴(kuò)散是粉末冶金工藝制備鎢鉬復(fù)合雙金屬的主要復(fù)合機(jī)理。在鎢鉬復(fù)合雙金屬的制備過(guò)程中，界面結(jié)合只能是在高溫下的原子互擴(kuò)散產(chǎn)生的剛性咬合。因此，在保證界面平直的情況下，擴(kuò)散層的厚度是決定最終復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的主要因素。鎢鉬雙金屬能夠進(jìn)行擴(kuò)散需要具備以下3個(gè)條件：

（1）足夠高的溫度

只有在足夠高的溫度下，金屬原子才能被激活，才能夠發(fā)生遷移。在制備鎢鉬復(fù)合雙金屬的過(guò)程中，較高的燒結(jié)溫度是能夠進(jìn)行原子擴(kuò)散的一個(gè)重要條件。

（2）擴(kuò)散時(shí)間要長(zhǎng)

在高溫下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間保溫后界面結(jié)合區(qū)原子之間的擴(kuò)散也較明顯。在鎢鉬復(fù)合雙金屬的制備中，一般的燒結(jié)工藝在高溫階段都需要保溫較長(zhǎng)時(shí)間，約4～6 h。

（3）基體金屬原子之間能夠固溶

基體金屬必須有一定的固溶度，能夠溶入基體晶格，形成固溶體，才能進(jìn)行固態(tài)擴(kuò)散。根據(jù)鎢－鉬的二元相圖［5］可知，在一定溫度下，可以無(wú)限固溶。

由菲克第一擴(kuò)散定律可知，擴(kuò)散系數(shù)D影響擴(kuò)散流量的大小。擴(kuò)散系數(shù)的表達(dá)式為［6］：

式中，D為擴(kuò)散系數(shù)，D0為擴(kuò)散常數(shù)，Q為擴(kuò)散激活能，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

由上式可知，在D0、Q、R不變的情況下，擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而增大，因而原子間的擴(kuò)散隨溫度的升高而加速。溫度越高，原子的振動(dòng)能越大，因此借助能量起伏而越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)行遷移的原子幾率越大，擴(kuò)散現(xiàn)象越顯著。

粉末冶金過(guò)程中的高溫?zé)Y(jié)為復(fù)合鎢鉬雙金屬基體金屬原子之間能夠進(jìn)行擴(kuò)散創(chuàng)造了條件。從圖1中可以明顯看出一長(zhǎng)約110 μm的擴(kuò)散層，正是這一界面擴(kuò)散層保證了鎢鉬2種金屬的牢固結(jié)合。

2.4 界面缺陷及機(jī)理研究

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，單純把鎢粉、鉬粉分層裝入壓制模具復(fù)合壓制，無(wú)法獲得質(zhì)量完好的復(fù)合壓坯。壓坯破壞的主要形式是鎢鉬直接分層。這是因?yàn)?，純的鎢鉬粉由于性能差異較大，尤其是鎢、鉬粉的彈性后效不同；而且與銅基、鐵基軟金屬粉末相比，鎢鉬硬質(zhì)粉更難復(fù)合壓制在一起。

鎢鉬復(fù)合坯在燒結(jié)和隨后的鍛造加工過(guò)程中，缺陷表現(xiàn)形式如圖4。

圖4 界面SEM形貌與組織

燒結(jié)態(tài)出現(xiàn)的裂紋缺陷是由于壓制壓力過(guò)大引起的。一般地，隨著壓制壓力的增加，強(qiáng)度和密度相應(yīng)增加，這不僅是因?yàn)轭w粒間發(fā)生位移而使孔隙率減少，而且當(dāng)壓力增加到一定程度后，顆粒接觸處可發(fā)生彈性變形，進(jìn)而發(fā)生塑性變形或脆性斷裂，此變形的結(jié)果，進(jìn)一步使顆粒被擠緊，密度和強(qiáng)度增加。但是，對(duì)于塑性較差的粉末，壓制壓力難以達(dá)到使顆粒發(fā)生塑性變形或脆性斷裂的程度，其孔隙率只能降至30％～40％左右。當(dāng)壓制壓力過(guò)大時(shí)，壓坯內(nèi)應(yīng)力增加，脫模時(shí)由于彈性后效而在壓坯內(nèi)產(chǎn)生分層或斷裂。與金屬鉬粉相比，鎢粉末顆粒具有更高的硬度和脆性，因而其壓制模量比鉬粉要大；另外，鎢粉末在壓制過(guò)程中的硬化趨勢(shì)和鉬粉差不多，所以鎢粉末往往在很窄的壓力范圍內(nèi)就能完成顆粒的剛性咬合；若增大壓制壓力超過(guò)此范圍，由于鎢粉的塑變能力較差，壓坯的內(nèi)應(yīng)力急劇增加，從而導(dǎo)致壓坯開(kāi)裂。圖4a中的裂紋就是由于鎢粉末的壓制性能較鉬粉差，而壓制壓力過(guò)大引起的。

鎢鉬復(fù)合坯鍛造缺陷的主要形式表現(xiàn)為沿鎢鉬界面產(chǎn)生裂紋，缺陷主要發(fā)生在鎢鉬界面（圖4b）。這是由于鎢鉬變形應(yīng)力不同導(dǎo)致金屬沿垂直于鍛造方向的流動(dòng)速率不同，在鎢/鉬界面產(chǎn)生較大應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到鎢層變形抗力極限時(shí)，W/Mo界面發(fā)生分層。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)粉末冶金工藝成功制備了鎢鉬復(fù)合雙金屬靶材。選擇適當(dāng)?shù)墓に嚝@得了良好的界面。鎢鉬雙金屬界面結(jié)合為冶金結(jié)合，100 μm的界面過(guò)渡層是鎢鉬兩種金屬牢固結(jié)合的保證。

（2）粉末經(jīng)過(guò)預(yù)壓處理后的燒結(jié)界面更加平整，有利于滿足鎢鉬復(fù)合靶在使用中的動(dòng)平衡要求。

（3）鎢鉬雙金屬?gòu)?fù)合靶材的界面結(jié)合機(jī)理為擴(kuò)散結(jié)合?；w金屬原子熱擴(kuò)散是粉末冶金工藝制備鎢鉬復(fù)合雙金屬的主要復(fù)合機(jī)理。

（4）擴(kuò)散結(jié)合的鎢鉬雙金屬?gòu)?fù)合靶材在加工過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較大，燒結(jié)靶的缺陷主要發(fā)生在鎢層，鍛造靶材缺陷主要發(fā)生在鎢鉬界面。因此，必須嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，減小在制備過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，以避免界面裂紋缺陷。

［1］劉曉濤，張廷安，崔建忠.層狀金屬?gòu)?fù)合材料生產(chǎn)工藝及其新進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2002，16（7）：41－43.

［2］于九明，孝云禎，王群驕，等.金屬層狀復(fù)合技術(shù)及其新進(jìn)展［J］.材料研究學(xué)報(bào)，2000，14（1）：12－16.

［3］李寶綿，李興剛，許光明，等.銅/鋼復(fù)合材料的研究及應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2002，16（2）：22－26.

［4］周和平.陶瓷基板的流延法制備工藝［P］.中國(guó)，公開(kāi)號(hào)：CN 1203206A，1998.12.30.

［5］Н.П.Лякишев.金屬二元系相圖手冊(cè)［M］.

［6］李志遠(yuǎn).先進(jìn)連接方法［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.