鎢鉬滲銅材料力學(xué)性能及金相組織研究

吳 偉

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

高溫用鎢(鉬)滲銅材料是一種互不相溶的特殊型復(fù)合材料，這一復(fù)合材料主要由導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能良好的銅、高強(qiáng)度及高熔點(diǎn)的鎢(鉬)組成。該類材料具有抗燒蝕、強(qiáng)度高及耐高溫等特性，目前已廣泛應(yīng)用于我國軍工及航空航天工業(yè)領(lǐng)域?；谶@一復(fù)合材料的高溫性能優(yōu)勢和抗燒蝕性特征，可將其用于耐燒蝕部件生產(chǎn)、制造過程中，如喉襯和燃?xì)舛娴炔考1]。雖然鉬滲銅材料可減輕相關(guān)零部件的重量，但其在高溫環(huán)境下的抗燒蝕性與耐高溫性差。因此，其只能用于連接板、配重裝置及空氣舵等部件的生產(chǎn)制作，這類零部件的的共同生產(chǎn)特征是生產(chǎn)環(huán)境溫度低。

1 拉伸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用的材料制備原料為中顆粒鉬粉和鎢粉。其中，中顆粒鉬粉的費(fèi)氏粒度為5.0 μm ,中顆粒鎢粉的費(fèi)氏粒度則為6.64 μm，詳細(xì)制備工藝流程見圖1[2]。

圖1 鎢鉬滲銅材料制備工藝流程示意圖

在實(shí)際制備操作過程中：

(1)首先需按一定比例標(biāo)準(zhǔn)，對中顆粒鉬粉和鎢粉兩種粉末原料進(jìn)行混合處理，然后經(jīng)過冷卻靜壓成型。

(2)與此同時(shí)，需要采用高溫?zé)Y(jié)技術(shù)工藝，制作鎢鉬骨架。

(3)最后需要在滲銅爐中，將金屬銅熔滲到已制作好的鎢鉬骨架中。

(4)除了上述工藝步驟外，所有試驗(yàn)材料都需要全面經(jīng)過超聲波探傷檢測技術(shù)對制備好的鎢鉬滲銅材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部孔洞、裂紋和不均勻、雜質(zhì)等情況進(jìn)行檢測，若經(jīng)全面質(zhì)量檢測無明顯性能、質(zhì)量缺陷，則可進(jìn)入下一制備生產(chǎn)工藝。

1.2 試驗(yàn)流程

在材料力學(xué)性能試驗(yàn)過程中，本研究著重考慮鎢鉬滲銅材料的骨架密度與質(zhì)量配比。

(1)將質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例分別為15%、35%、55%的Mo粉加入W中，然后進(jìn)一步分析Mo粉含量變化，對鎢鉬滲銅材料綜合力學(xué)性能及外環(huán)金相組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

(2)針對這一試驗(yàn)，相關(guān)研究表明，大部分高溫用鎢鉬滲銅材料的骨架密度均保持在80%左右[3]。所以，按照這一研究結(jié)論，本研究在試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，分別將該試驗(yàn)材料的骨架密度設(shè)置為79%、80%和83%，據(jù)此研究分析Mo含量增加變化對高溫用鎢鉬滲銅材料力學(xué)性能及金相組織產(chǎn)生的影響。

(3)密度為79%和83%的骨架主要用于抗熱震性能和高溫抗燒蝕材料的制備。在試驗(yàn)優(yōu)化過程中，通過相同的滲銅工藝，保持等靜壓成形壓力，不斷對燒結(jié)工藝進(jìn)行調(diào)整，以滿足鎢鉬滲銅材料的力學(xué)性能測試要求。

2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能測試

按照上述試驗(yàn)分析過程，本研究在INST RON-20拉伸試驗(yàn)機(jī)中，對制備好的鎢鉬滲銅材料進(jìn)行力學(xué)性能室溫拉伸試驗(yàn)測試，采用的參照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/ T228-2002)；將拉伸速度設(shè)定2 mm/min，然后對規(guī)格為φ12 mm×65 mm的鎢鉬滲銅材料進(jìn)行力學(xué)性能室溫拉伸試驗(yàn)測試。

在室溫試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本研究還基于《喉襯用鎢滲銅制品規(guī)范》(GJB 2299A-2005)，分別在800 ℃與1 200 ℃的高溫環(huán)境下，對制備好的φ10 mm×60 mm鎢鉬滲銅材料進(jìn)行力學(xué)性能測試。此次測試采用的設(shè)備為電子萬能試驗(yàn)機(jī)(型號為CSS-4450)，試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)條件為：(1)鎢鉬滲銅材料力學(xué)性能測試的升溫速度為36 ℃/min；(2)高溫拉伸試驗(yàn)速度為1.6 mm/min；(3)保溫時(shí)間約為6 min；(4)高溫拉伸試驗(yàn)的氣氛為10～3 Pa的高真空環(huán)境。

表1所示數(shù)據(jù)為室溫與高溫試驗(yàn)環(huán)境下，鎢鉬滲銅材料的力學(xué)性能測試結(jié)果。

表1 室溫與高溫試驗(yàn)環(huán)境下鎢鉬滲銅材料的力學(xué)性能測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過表1不同溫度條件下，鎢鉬滲銅材料的力學(xué)性能測試結(jié)果對比可以看出：(1)在室溫與高溫兩種試驗(yàn)環(huán)境下，鎢鉬滲銅材料均具有良好的性能強(qiáng)度。其中，在室溫環(huán)境下，骨架密度為83%的鎢鉬滲銅材料其抗拉強(qiáng)度溫度變化范圍在476～712 ℃之間；(2)在800 ℃的試驗(yàn)環(huán)境下，其抗拉強(qiáng)度變化范圍在250～320 ℃之間；(3)在1 200 ℃的條件下，其抗拉力學(xué)性能溫度值可保持在95～175 ℃之間；(4)在80%的骨架密度設(shè)計(jì)值下，鎢鉬滲銅材料的室溫抗拉強(qiáng)度值為480～700 ℃。

由此可以看出，當(dāng)鎢鉬滲銅材料的骨架設(shè)計(jì)密度值處于同一水平值時(shí)，鉬銅材料和鎢銅材料的力學(xué)性能并不相同。但是，隨著Mo含量不斷增加，鎢鉬銅材料的抗拉性能在降低。因此，通過表1中參數(shù)對比，即可清晰看出不同試驗(yàn)條件下，鎢鉬滲銅材料的力學(xué)性能測試結(jié)果變化趨勢。

2.2 金相組織觀察

在上述試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上，本研究通過對高溫用鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口形貌進(jìn)行金相組織觀察分析，展示了如下幾組不同的金相組織示意圖：

圖2 室溫條件下鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口形貌

圖3 高溫(800 ℃)條件下鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口形貌

圖4 高溫(1 200 ℃)條件下鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口形貌

通過對不同試驗(yàn)條件下鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口金相組織結(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)行觀察、對比后發(fā)現(xiàn)，所有鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口處均存在類似于河流花樣的解理斷裂。當(dāng)試驗(yàn)骨架密度與溫度條件相近時(shí)，隨著Mo含量不斷增多，鎢鉬滲銅材料沿晶斷口比例也在不斷增加；同時(shí)，其晶粒尺寸卻在減小，解理斷裂也在減少。對于配比成分相同的鎢鉬滲銅材料而言，其骨架設(shè)計(jì)密度參數(shù)值越大，解理斷裂和晶粒尺寸均會不斷增大。在試驗(yàn)過程中，隨著鎢鉬滲銅材料拉伸試驗(yàn)溫度不斷增加，其斷口顆粒間的邊界逐漸變得模糊，由此其外形結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生變形。

3 結(jié) 語

本文通過拉伸試驗(yàn)方法，對高溫用鎢(鉬)滲銅材料進(jìn)行了力學(xué)性能分析及金相組織觀察研究。綜上試驗(yàn)分析結(jié)果可知，通過適當(dāng)增加Mo的含量，可強(qiáng)化鎢鉬滲銅材料的力學(xué)性能。Mo含量越高，鎢鉬滲銅材料拉伸斷口晶粒尺寸越小，同時(shí)，其解理斷裂也就越少。所以，試驗(yàn)表明，高溫用鎢鉬滲銅材料不僅能夠用于特殊材料生產(chǎn)制造工藝中，而且還可結(jié)合此種復(fù)合材料性能要求，對其鎢鉬成分配比試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而為材料生產(chǎn)制備提供了科學(xué)的性能分析依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李明林,萬亞玲,胡建玥,等.單層二硫化鉬力學(xué)性能溫度和手性效應(yīng)的分子動力學(xué)模擬[J].物理學(xué)報(bào),2016,65(17):307-315.

[2] 尹學(xué)煒,徐偉力,姚 杰,等.高熱導(dǎo)率熱沖壓模具材料HTCS-130性能的研究[J].材料科學(xué)與工藝,2014,22(1):61-67.

[3] 溫亞輝,李長亮,張 清,等.粉末粒度對鎢鉬雙金屬性能影響[J].稀有金屬,2016,40(11):1188-1192.