專利名稱：一種晶粒尺寸可控的超細(xì)晶粒鎢及鎢銅復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高熔點金屬和金屬基熱沉材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種晶粒尺寸可控的超細(xì)晶粒純鎢，鎢基高比重合金及銅含量可從10％～90％(為體積比)調(diào)整的鎢銅復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及的難熔鎢基材料包括純鎢材料、鎢基高比重合金(如W-Ni-Cu，W-Ti，W-Zr等)和鎢銅復(fù)合材料。純鎢及鎢基高比重合金材料具有高熔點、高密度、高強度、高硬度和高耐磨性的優(yōu)點，此外，它的熱膨脹系數(shù)小、抗蝕性和抗氧化性能好以及導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，因此在尖端科學(xué)領(lǐng)域、國防工業(yè)和民用工業(yè)中都已得到了非常廣泛的應(yīng)用。如用作陀螺轉(zhuǎn)子及飛機上的配重和減震材料，在軍工中用作穿甲彈和子母彈等，在醫(yī)療行業(yè)中用作防X射線屏蔽材料，在民用工業(yè)中用作手機上的高比重合金振子電極材料等。
鎢銅復(fù)合材料是由W、Cu為主組成的兩相結(jié)構(gòu)假合金，具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率和可設(shè)計的膨脹系數(shù)，作為CPU、IC、固態(tài)微波管等微電子封裝的熱沉基片，可以實現(xiàn)與半導(dǎo)體硅、砷化鎵、氧化鋁和氧化鈹?shù)牧己闷ヅ浞饨?，起到支承和散熱的作用。另外鎢銅復(fù)合材料具有良好的耐電弧侵蝕性、抗熔焊性和高強度、高硬度等特點，廣泛用作電觸頭材料，電阻焊、電火花加工和等離子電極材料。鎢銅復(fù)合材料在軍事上已被用作軍工用發(fā)汗材料，其它一些新的用途也正在研究發(fā)展，如電磁炮的導(dǎo)軌材料，它應(yīng)用鎢銅材料的耐熱性、高導(dǎo)電性和抗電弧、抗摩擦等性能。
根據(jù)鎢基材料的各項特性，各種新的可能應(yīng)用還在不斷地研究和開發(fā)中，如在核聚變實驗裝置中做為面向等離子體材料；用作重載荷滑動摩擦軸套的加強筋，用作高速旋轉(zhuǎn)和運動的固體密封件；各種儀器儀表中要求無磁、低膨脹、高彈性模量，防輻射屏蔽等特殊要求的零部件；在新一代集成電路中，由于布線越來越細(xì)，散熱和耐溫的需要都將擴大鎢基板材的需求，此外金屬封裝也將向難熔材料發(fā)展。
隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，對鎢基材料的質(zhì)量和性能提出了更高的要求，包括高密度、高結(jié)構(gòu)均勻性和高的熱、電性能等。為了達(dá)到高的力學(xué)性能，采用超細(xì)和微晶難熔鎢合金材料越來越成為難熔鎢基合金及其復(fù)合材料的發(fā)展趨勢。超細(xì)和微晶難熔鎢合金材料可以大幅度地提高材料的力學(xué)性能。但是由于超細(xì)晶粒(特別是納米級晶粒)活性大，在燒結(jié)中迅速長大，若不加以控制，很難獲得超細(xì)晶的材料。例如據(jù)報導(dǎo)，納米W-Cu粉末燒結(jié)5min即可致密化，但在燒結(jié)中晶粒長大十分迅速，不易于控制。目前主要是采用添加晶粒長大抑制劑如VC，TaC，TiC，ZrC，La2O3，ThO2等的方法來控制晶粒的長大。除此之外，新的納米材料燒結(jié)技術(shù)已開始應(yīng)用，包括等離子體活化燒結(jié)和快速熱等靜壓法。
對于鎢銅復(fù)合材料，隨著銅含量的變化，通常需要采用不同的制備方法，如銅含量在50％以下時，常采用熔滲法制備，銅含量大于50％時則更多的采用液相燒結(jié)法。目前還沒有一種簡便有效的方法可以同時制備銅含量任意可調(diào)的鎢銅復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種晶粒度可控的超細(xì)晶粒純鎢材料、鎢基高比重合金(如W-Ni-Cu，W-Ti-Cu等)和鎢銅復(fù)合材料的制備方法。強化鎢基材料的燒結(jié)和縮短鎢基材料的燒結(jié)時間，避免在燒結(jié)過程中可能發(fā)生的晶粒長大現(xiàn)象。
本發(fā)明通過選擇不同粒度的鎢粉，可以制備獲得晶粒尺寸可控的超細(xì)晶粒純鎢材料、鎢基高比重合金(如W-Ni-Cu，W-Ti-Cu等)和鎢銅復(fù)合材料。具體工藝為a、原料的準(zhǔn)備選擇粒度＜10μm的鎢粉，當(dāng)鎢粉粒度小于1μm時，需要對其預(yù)先進(jìn)行造粒，以提高其成型性能；對于鎢基高比重合金需要將鎢粉與合金元素(加入量0.1％～5％，為重量比)進(jìn)行機械混合；所述的合金元素為Cu，Ni，Zr，Ti中的一種或兩種；對于鎢銅復(fù)合材料需要將鎢粉與銅粉(加入量10％～90％，為體積比)進(jìn)行機械混合；b、生坯的成型將上述處理的鎢粉或混合粉進(jìn)行模壓成型，成型壓力為30--100MPa；或冷等靜壓成型，成型壓力為100-300MPa；c、生坯的燒結(jié)將成型好的生坯置于一葉臘石模具中，放入壓機中；首先對樣品施加1-10GPa的壓力，壓力是雙向加壓或六面加壓；然后對樣品兩端施加10-25kW的交流電進(jìn)行燒結(jié)，通電時間為30秒-3分鐘，通電燒結(jié)后，繼續(xù)保壓0.5-3分鐘；燒結(jié)體經(jīng)研磨拋光，相對密度為96-99％。
本發(fā)明的優(yōu)點在于采用超高壓力下通電燒結(jié)的方法制備晶粒度可控的鎢基塊體材料和鎢銅復(fù)合材料，施加超高壓力以強化鎢基材料的燒結(jié)和縮短鎢基材料的燒結(jié)時間，避免在燒結(jié)過程中可能發(fā)生的晶粒長大現(xiàn)象。施加高交流電使鎢坯體通過自身電阻加熱獲得需要的燒結(jié)溫度。鎢銅復(fù)合材料在燒結(jié)過程中，銅不會發(fā)生明顯的熔融流失，能夠保持最初的成分含量。制備得到的超細(xì)晶粒鎢基塊體材料及鎢銅復(fù)合材料有較好的力學(xué)性能和抗熱沖擊性，適于電子封裝材料，熱沉積材料，電觸頭材料以及耐高溫等離子體沖刷部件，如核聚變裝置中的偏濾器材料等。
具體實施例方式
實施例1鎢的晶粒度為0.2μm的純鎢塊體材料的制備。
將粒度為0.2μm的鎢粉首先進(jìn)行造粒，在冷等靜壓機中進(jìn)行成型，成型壓力為200MPa，成型好的坯體經(jīng)機加工成一定尺寸后放入葉臘石模具中，在8GPa，輸入功率為23kW交流電作用下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時間為2分鐘。所得樣品經(jīng)研磨拋光后，測得密度為18.53g/cm3，顯微硬度為1169.80MPa，抗彎強度為596.29MPa，室溫?zé)釋?dǎo)率為105.1W/mk。
實施例2鎢的晶粒度為1μm的純鎢塊體材料的制備。
將粒度為1μm的鎢粉在冷等靜壓機中進(jìn)行成型，成型壓力為200MPa，成型好的坯體經(jīng)機加工成一定尺寸后放入葉臘石模具中，在6GPa，輸入功率為23kW交流電作用下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時間為2分鐘。所得樣品經(jīng)研磨拋光后，測得密度為18.63g/cm3顯微硬度為772.30MPa，抗彎強度為561.12MPa，室溫?zé)釋?dǎo)率為128.5W/mk。
實施例3鎢的晶粒度為7μm的純鎢塊體材料的制備。
將粒度為1μm的鎢粉在冷等靜壓機中進(jìn)行成型，成型壓力為200MPa，成型好的坯體經(jīng)機加工成一定尺寸后放入葉臘石模具中，在6GPa，輸入功率為23kW交流電作用下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時間為1分鐘。所得樣品經(jīng)研磨拋光后，測得密度為18.89g/cm3，顯微硬度為592.20MPa，抗彎強度為461.21MPa，室溫?zé)釋?dǎo)率為97.77W/mk。
實施例4鎢的晶粒度為1μm的W-Ni-Cu高比重合金的制備。
將粒度為1μm的鎢粉和粒度為-300目左右的Ni粉和Cu粉進(jìn)行機械混合，Ni粉和Cu粉的加入量均為2.5vol％。混合后的粉末模壓成型，成型壓力為50MPa，成型好的坯體放入葉臘石模具中，在8GPa，輸入功率為23kW交流電作用下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時間為1分鐘。所得樣品經(jīng)研磨拋光后，測得密度為18.59g/cm3，顯微硬度為792.20MPa，抗彎強度為576.58MPa。
實施例5鎢的晶粒度為0.5μm的W-Cu合金的制備。
將粒度為0.5μm的鎢粉和粒度為-200目的Cu粉進(jìn)行機械混合，Cu的加入量為5vol％?；旌虾蟮姆勰┠撼尚?，成型壓力為50MPa，成型好的坯體放入葉臘石模具中，在8GPa，輸入功率為20kW交流電作用下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時間為1分鐘。所得樣品經(jīng)研磨拋光后，測得密度為18.19g/cm3，顯微硬度為989.50MPa，抗彎強度為591.58MPa。
實施例6鎢的晶粒度為1μm的鎢銅復(fù)合材料(銅含量為50vol％)的制備。
將粒度為1μm的鎢粉和粒度為-300目的Cu粉進(jìn)行機械混合，Cu的加入量為50vol％?；旌虾蟮姆勰┠撼尚?，成型壓力為50MPa，成型好的坯體放入葉臘石模具中，在8GPa，輸入功率為13kW交流電作用下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時間為1分鐘。所得樣品經(jīng)研磨拋光后，測得密度為13.67g/cm3,室溫?zé)釋?dǎo)率為194.77W/mk。
實施例7鎢的晶粒度為1μm的鎢銅復(fù)合材料(銅含量為25vol％)的制備。
將粒度為1μm的鎢粉和粒度為-300目的Cu粉進(jìn)行機械混合，Cu的加入量為25vol％?；旌虾蟮姆勰┠撼尚?，成型壓力為50MPa，成型好的坯體放入葉臘石模具中，在8GPa，輸入功率為13kW交流電作用下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時間為50秒。所得樣品經(jīng)研磨拋光后，測得密度為11.167g/cm3，室溫?zé)釋?dǎo)率為247.77W/mk。
權(quán)利要求
1.一種晶粒尺寸可控的超細(xì)晶粒純鎢、鎢基高比重合金和鎢銅復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于工藝為a、原料的準(zhǔn)備選擇粒度＜10μm的鎢粉，當(dāng)鎢粉粒度小于1μm時，需要對其預(yù)先進(jìn)行造粒，以提高其成型性能；將鎢粉與加入量為0.1％～5％重量比的合金元素或加入量為10％～90％體積比的銅粉進(jìn)行機械混合；所述的合金元素為Cu，Ni，Zr，Ti中的1～2種；b、生坯的成型將上述處理的鎢粉或混合粉進(jìn)行模壓成型，成型壓力為30-100MPa；或冷等靜壓成型，成型壓力為100-300MPa；c、素坯燒結(jié)將成型好的生坯置于葉臘石模具中，放入六面項或兩面頂壓機中；首先對樣品施加1-10GPa的壓力，壓力是雙向加壓或六面加壓；然后對樣品兩端施加10-25kW的交流電進(jìn)行燒結(jié)，通電時間為30秒～3分鐘，通電燒結(jié)后，繼續(xù)保壓0.5～3分鐘；燒結(jié)體經(jīng)研磨拋光，相對密度為96-99％。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種晶粒尺寸可控的超細(xì)晶粒純鎢、鎢基高比重合金和鎢銅復(fù)合材料及其制備方法，屬于高熔點金屬及金屬基熱沉材料技術(shù)領(lǐng)域。具體工藝為將鎢粉與合金元素或銅粉進(jìn)行機械混合；將上述處理的鎢粉或混合粉進(jìn)行模壓成型，成型壓力為30－100MPa；或冷等靜壓成型，成型壓力為100－300MPa；將成型好的生坯置于葉蠟石模具中，放入六面頂或兩面頂壓機中；首先對樣品施加1－10GPa的壓力，然后對樣品兩端施加10－25kW的交流電進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)體經(jīng)研磨拋光，相對密度為96－99％。其優(yōu)點在于獲得晶粒大小與初始鎢粉粒度相當(dāng)?shù)某?xì)晶粒鎢基塊體材料；能夠保持最初的成分含量。制備得到的超細(xì)晶粒鎢基塊體材料有較好的力學(xué)性能和抗熱沖擊性。
文檔編號B22F3/14GK1775425SQ200510126460
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日
發(fā)明者周張健 申請人:北京科技大學(xué)