鎢銅復(fù)合材料用鎢骨架的制備與壓縮性能

楊廣宇，劉楠，賈亮，許忠國，楊坤，劉海彥，湯慧萍

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鎢銅復(fù)合材料用鎢骨架的制備與壓縮性能

楊廣宇，劉楠，賈亮，許忠國，楊坤，劉海彥，湯慧萍

(西北有色金屬研究院，金屬多孔材料國家重點實驗室，西安710016)

采用電子束選區(qū)熔化成形得到點陣結(jié)構(gòu)鎢樣件，然后填入細(xì)鎢粉松裝燒結(jié)成多孔體，制備鎢銅復(fù)合材料用的鎢骨架，對點陣結(jié)構(gòu)與多孔體的形貌與結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與分析，并測試點陣結(jié)構(gòu)與鎢骨架的壓縮性能。結(jié)果表明：鎢點陣結(jié)構(gòu)的孔結(jié)構(gòu)完整，孔筋內(nèi)部無孔洞、裂紋等缺陷，并且組織細(xì)小。點陣結(jié)構(gòu)的抗壓強度高，但韌性較差，壓縮過程幾乎為瞬間脆性潰散。采用分段燒結(jié)的方法在點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入微米級多孔體，點陣結(jié)構(gòu)與多孔體相互嵌套形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的鎢骨架，骨架的壓縮斷裂經(jīng)歷單獨點陣結(jié)構(gòu)受力–點陣結(jié)構(gòu)微弱變形–協(xié)同受力–開裂坍塌的過程，表現(xiàn)為一種混合斷裂模式，避免了單獨點陣結(jié)構(gòu)的瞬間脆性坍塌。

鎢骨架；鎢銅復(fù)合材料；電子束選區(qū)熔化成形；粉末燒結(jié)；壓縮性能

鎢銅復(fù)合材料同時具有銅的高導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、以及鎢的高溫強度高、抗電弧燒蝕性能優(yōu)良的特性，在電力、電子、冶金等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在各類高壓電器開關(guān)的電觸頭方面有著重要的應(yīng)用[1?3]。傳統(tǒng)的鎢銅復(fù)合材料多采用鎢粉燒結(jié)制備骨架而后進(jìn)行高溫滲銅的方法制備，鎢骨架中鎢顆粒之間的界面結(jié)合較差，在受力過程中易產(chǎn)生裂紋，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。如我國超高壓輸電用的鎢銅觸頭材料，在高溫下電磨損和機械磨損情況嚴(yán)重，鎢骨架易斷裂，引起電弧燃燒位置錯動。為了改善鎢銅復(fù)合材料的力學(xué)性能，研究人員開展了多方面的研究[4?8]，如細(xì)化鎢晶粒、改善成形方法等，可在一定程度上改善合金的組織均勻性、提高合金致密度、改善鎢與銅的潤濕性，但均未使合金的強度得到大幅度提高。通過調(diào)控鎢骨架的連續(xù)程度來提高鎢骨架的強度出發(fā)，也是提高鎢銅復(fù)合材料性能的一個有效方法。以金屬粉末為原料，基于三維模型各截面信息，利用高能束流對金屬粉末進(jìn)行逐層熔化疊加的金屬粉末選區(qū)熔化成形技術(shù)(又稱3D打印技術(shù))，是目前飛速發(fā)展的一項新興技術(shù)，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一次成形方面具有明顯的優(yōu)勢[9?11]。將此技術(shù)引入到鎢骨架的制備，因成形過程是基于三維模型，可得到連續(xù)、孔隙均勻可控的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時，高能束流如激光束或電子束可使高熔點金屬鎢完全熔化，減少鎢–鎢顆粒界面，從而提高最終鎢骨架的強度。本研究以鎢粉為原料，采用電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)得到高強的鎢三維空間點陣結(jié)構(gòu)，然后在多孔點陣結(jié)構(gòu)的孔隙內(nèi)加入鎢粉，通過粉末松裝燒結(jié)得到三維點陣/多孔燒結(jié)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的鎢骨架。以此種結(jié)構(gòu)的鎢骨架作為滲銅基體制備鎢銅復(fù)合材料，可充分利用點陣結(jié)構(gòu)的高強度，同時，內(nèi)部微米級孔結(jié)構(gòu)可避免后續(xù)滲銅處理時銅相的大量富集，有望獲得高性能的鎢銅復(fù)合材料。

1 實驗

1.1 原料

采用粒徑小于50 μm、純度為99.9%的純鎢粉作為電子束選區(qū)熔化成形(selective electron beam melting，縮寫為SEBM)制備點陣結(jié)構(gòu)鎢樣件的原料。該粉末的流動性為10.25 s/50 g，松裝密度為9.16 g/cm3，粉末形貌如圖1(a)所示。在鎢點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部填入細(xì)鎢粉進(jìn)行松裝燒結(jié)，細(xì)鎢粉的形貌如圖1(b)所示，為不規(guī)則形狀，粉末粒徑在2~5 μm之間。

1.2 電子束選區(qū)熔化成形(SEBM)

利用CAD繪圖軟件繪制出尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的正方體點陣結(jié)構(gòu)三維模型。內(nèi)部孔壁厚度為0.5 mm，等效孔徑分別為0.5，0.8和1.0 mm。然后通過分層軟件將三維模型轉(zhuǎn)換成一系列切片層，每層厚度為0.05 mm。將所得切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入電子束選區(qū)熔化成形設(shè)備中，在成形腔真空度不大于5×10?2Pa的條件下進(jìn)行SEBM成形。成形開始時金屬粉末從兩側(cè)的粉箱中流出，利用刮板在成形底板上鋪展一層厚度約為0.05 mm的粉末。電子束根據(jù)第一層切片層數(shù)據(jù)信息進(jìn)行選擇性熔化，熔化完成后成形底板下降一定高度。重復(fù)上述過程，逐層疊加，最終完成整個結(jié)構(gòu)件的制備。最后，利用高壓氣體將未熔化的殘余粉末去除，得到點陣結(jié)構(gòu)樣件。成形過程分為預(yù)熱階段和成形階段，底板預(yù)熱溫度為1 000 ℃，熔化電流為30~40 mA，掃描速度為120~200 mm/s。制備出等效孔徑分別為0.5，0.8，1.0 mm的點陣結(jié)構(gòu)鎢樣品。

圖1 原料鎢粉末的顯微形貌

1.3 粉末松裝燒結(jié)

在SEBM成形的鎢點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部填入粒徑2~5 μm的細(xì)鎢粉進(jìn)行松裝燒結(jié)，采用分段保溫的方式：在1 100 ℃保溫1 h后，升溫至1 400 ℃保溫2 h，再升溫至1 700 ℃保溫1 h。隨爐冷卻，最終得到三維點陣/多孔燒結(jié)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的鎢骨架，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 鎢骨架的三維點陣/多孔燒結(jié)體復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖

對SEBM成形的點陣結(jié)構(gòu)鎢樣件和粉末松裝燒結(jié)后的點陣結(jié)構(gòu)/多孔燒結(jié)體復(fù)合結(jié)構(gòu)鎢骨架分別進(jìn)行室溫靜態(tài)壓縮性能測試，并采用掃描電鏡(SEM)對點陣結(jié)構(gòu)與鎢骨架的顯微結(jié)構(gòu)和壓縮斷口形貌進(jìn)行 觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎢點陣結(jié)構(gòu)

圖3所示為SEBM成形的孔壁厚度為0.5 mm，等效孔徑分別為0.5，0.8，1.0 mm的點陣結(jié)構(gòu)鎢樣品宏觀形貌及表面微觀形貌。從圖中可看出，樣品的點陣結(jié)構(gòu)完整，無明顯變形、坍塌等缺陷，孔筋具有類似于燒結(jié)粉末的粗糙表面，點陣結(jié)構(gòu)的孔隙率列于表1。

圖4所示為SEBM成形的鎢點陣結(jié)構(gòu)孔筋截面組織。由圖可看出，孔筋內(nèi)部為全致密結(jié)構(gòu)，無孔洞、裂紋等成形缺陷，并且組織細(xì)小。相對于傳統(tǒng)粉末冶金工藝，SEBM的電子束流能量密度高，可實現(xiàn)鎢粉的完全熔化，從而極大地提高骨架結(jié)構(gòu)的強度；同時，高能電子束的直徑僅為100 μm左右，熔化金屬粉末形成的熔池細(xì)小，冷卻速率極快，因此鎢在凝固過程中不會發(fā)生明顯的晶粒長大，可以進(jìn)一步保證點陣結(jié)構(gòu)的強度；另外SEBM成形過程為逐層累加，在每層粉末熔化之前利用電子束快速掃描粉末層預(yù)熱，使整個型腔溫度始終保持在接近1 000 ℃，整個成形過程中成形腔內(nèi)的溫度均處于高于鎢合金的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，可有效減少金屬鎢因快速冷卻引起的熱應(yīng)力開裂。

2.2 內(nèi)部多孔體

一般滲銅法制備鎢銅復(fù)合材料所用的鎢骨架結(jié)構(gòu)多具有微米級小孔，可有效利用毛細(xì)現(xiàn)象，尤其是在制備電觸頭鎢銅復(fù)合材料時，微孔結(jié)構(gòu)可避免大量銅的聚集。因此，本研究采用粉末松裝燒結(jié)的方法在鎢的點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部制備微米級多孔體。內(nèi)部多孔體要求孔徑盡量均勻，孔之間保持相互連通性，并與SEBM成形的點陣架結(jié)構(gòu)具有良好的界面結(jié)合。為滿足上述要求，多孔體采用分段燒結(jié)方式進(jìn)行，圖5所示為各階段樣品的SEM形貌。由圖可知，1 100 ℃保溫1 h主要起到低溫預(yù)燒結(jié)的作用，還原粉末表面氧化物，消除粉末之間的接觸應(yīng)力，僅實現(xiàn)粉末顆粒之間的初始結(jié)合；1 400 ℃保溫2 h階段，燒結(jié)頸初步形成；1 700℃保溫1 h，粉末開始發(fā)生大量的物質(zhì)遷移，燒結(jié)頸長大，孔道趨于平滑穩(wěn)定，得到較理想孔道的多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率約為50%，并最終得到點陣/多孔燒結(jié)體復(fù)合結(jié)構(gòu)鎢骨架，如圖6所示。從圖6可見，內(nèi)部多孔體與點陣結(jié)構(gòu)相互嵌套，界面結(jié)合良好，整體鎢骨架結(jié)構(gòu)的孔隙率列于表1，可以滿足目前應(yīng)用較廣泛的CuW 90、CuW85與CuW80復(fù)合材料用鎢骨架結(jié)構(gòu)的要求。

圖3 SEBM成形的不同孔徑的鎢點陣結(jié)構(gòu)宏觀與微觀形貌

圖4 SEBM成形鎢點陣結(jié)構(gòu)的孔筋表面與截面形貌

圖5 粉末松裝燒結(jié)不同階段的SEM形貌

圖6 點陣結(jié)構(gòu)/多孔體復(fù)合結(jié)構(gòu)鎢骨架的微觀形貌

表1 鎢骨架的孔隙率

2.3 壓縮性能

圖7所示為在室溫靜態(tài)壓縮條件下的鎢點陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線與壓縮斷口形貌。由圖可見，采用SEBM方法成形的鎢點陣結(jié)構(gòu)具有很高的抗壓強度，最高達(dá)400 MPa，但塑性變形能力較差，鎢骨架發(fā)生瞬間脆性坍塌，形成小塊的鎢顆粒，斷口形貌顯示為典型的脆性斷裂。圖8所示為復(fù)合結(jié)構(gòu)鎢骨架的應(yīng)力–應(yīng)變曲線。將圖8與圖7對比，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部加入多孔體后，整體鎢骨架結(jié)構(gòu)的強度并未發(fā)生明顯變化，說明在復(fù)合結(jié)構(gòu)鎢骨架的壓縮變形過程中，點陣結(jié)構(gòu)為主要承力部分，對整體骨架結(jié)構(gòu)起到明顯的強化作用，但內(nèi)部加入多孔體使得鎢骨架的塑性變形能力有一定提升。從圖8看出，骨架的變形初期主要由強度較高的鎢點陣結(jié)構(gòu)起承載的作用；點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生微弱變形后，與點陣結(jié)構(gòu)緊密連接的內(nèi)部多孔體開始受力，兩者協(xié)調(diào)作用，避免了點陣結(jié)構(gòu)的瞬間脆性斷裂，壓縮曲線出現(xiàn)一個短小的平臺, 鎢骨架表現(xiàn)出一定的塑性變形能力。點陣結(jié)構(gòu)與多孔體的相互嵌套使得鎢骨架的斷裂表現(xiàn)為一種混合斷裂模式。復(fù)合結(jié)構(gòu)經(jīng)歷單獨點陣結(jié)構(gòu)受力?點陣結(jié)構(gòu)微弱變形?協(xié)同受力?開裂坍塌的過程，開裂坍塌后內(nèi)部的多孔體全部破碎脫落。

圖7 點陣結(jié)構(gòu)鎢樣品的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線(a)與壓縮斷口形貌(b)

圖8 鎢點陣結(jié)構(gòu)/多孔體復(fù)合結(jié)構(gòu)鎢骨架的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

1) 采用電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)與粉末松裝燒結(jié)相結(jié)合的方法制備滲銅用鎢骨架，骨架結(jié)構(gòu)為點陣結(jié)構(gòu)/內(nèi)部多孔體復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2) 鎢點陣結(jié)構(gòu)的孔結(jié)構(gòu)完整，孔筋內(nèi)部為全致密，無孔洞、裂紋等成形缺陷，同時組織細(xì)小。點陣結(jié)構(gòu)的抗壓強度高，但韌性較差，壓縮過程中發(fā)生瞬間脆性潰散。

3) 采用分段燒結(jié)的方法在點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入微米級多孔體，鎢點陣結(jié)構(gòu)與多孔體相互嵌套，骨架的斷裂表現(xiàn)為一種混合斷裂模式，靜態(tài)壓縮時經(jīng)歷單獨點陣結(jié)構(gòu)受力—點陣結(jié)構(gòu)微弱變形—協(xié)同受力—開裂坍塌的過程，避免了單獨點陣結(jié)構(gòu)的瞬間脆性坍塌。

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(編輯 湯金芝)

Fabrication and compression property of tungsten skeleton for tungsten-copper composite

YANG Guangyu, LIU Nan, JIA Liang, XU Zhongguo, YANG Kun, LIU Haiyan, TANG Huiping

(State Key Laboratory of Porous Metal Material, Northwest Institute of Non-ferrous Metal, Xi’an 710016, China)

Tungsten skeleton with lattice/porous composite structure was fabricated by selective electron beam melting (SEBM) together with loose powder sintering. Structure and compression property of the tungsten skeleton were studied. The results show that, the porous structure of the tungsten lattice structure is uniform, and there are no pores, cracks and other defects inside, and the microstructure is fine. The compression strength of the lattice structure is high, while the toughness is poor, which leads to almost instantaneous brittle collapse during compression test. A micro scale porous body is introduced into the lattice structure by the step sintering. The lattice structure and the porous body are embeded with each other to form a lattice/porous composite structure of tungsten skeleton. The lattice/porous composite structure shows a mixed fracture compression mode, and undergoes the process of lattice bearing force alone-lattice weak deformation-lattice/porous bearing force together-cracking and collapse during the compression test. It can avoid the instantaneous brittle collapse of the individual lattice structure.

tungsten skeleton; tungsten-copper composite; selective electron beam melting (SEBM); powder sintering; compression property

TG146.4

A

1673-0224(2017)05-701-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)資助項目(2015AA034304)；國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB1101403)

2017?05?17；

2017?06?22

楊廣宇，工程師。電話：029-86231095；E-mail: yanggy0403@163.com