一种晶粒尺寸可控的超细晶粒钨及钨铜复合材料的制备方法

摘要

本发明提供了一种晶粒尺寸可控的超细晶粒纯钨、钨基高比重合金和钨铜复合材料及其制备方法，属于高熔点金属及金属基热沉材料技术领域。具体工艺为：将钨粉与合金元素或铜粉进行机械混合；将上述处理的钨粉或混合粉进行模压成型，成型压力为30－100MPa；或冷等静压成型，成型压力为100－300MPa；将成型好的生坯置于叶蜡石模具中，放入六面顶或两面顶压机中；首先对样品施加1－10GPa的压力，然后对样品两端施加10－25kW的交流电进行烧结，烧结体经研磨抛光，相对密度为96－99％。其优点在于：获得晶粒大小与初始钨粉粒度相当的超细晶粒钨基块体材料；能够保持最初的成分含量。制备得到的超细晶粒钨基块体材料有较好的力学性能和抗热冲击性。

说明书

技术领域

本发明属于高熔点金属和金属基热沉材料技术领域，特别是提供了一种晶粒尺寸可控的超细晶粒纯钨，钨基高比重合金及铜含量可从10％～90％(为体积比)调整的钨铜复合材料及其制备方法。

背景技术

本发明涉及的难熔钨基材料包括纯钨材料、钨基高比重合金(如W-Ni-Cu，W-Ti，W-Zr等)和钨铜复合材料。纯钨及钨基高比重合金材料具有高熔点、高密度、高强度、高硬度和高耐磨性的优点，此外，它的热膨胀系数小、抗蚀性和抗氧化性能好以及导电导热性能好，因此在尖端科学领域、国防工业和民用工业中都已得到了非常广泛的应用。如用作陀螺转子及飞机上的配重和减震材料，在军工中用作穿甲弹和子母弹等，在医疗行业中用作防X射线屏蔽材料，在民用工业中用作手机上的高比重合金振子电极材料等。

钨铜复合材料是由W、Cu为主组成的两相结构假合金，具有优良的热导率和可设计的膨胀系数，作为CPU、IC、固态微波管等微电子封装的热沉基片，可以实现与半导体硅、砷化镓、氧化铝和氧化铍的良好匹配封接，起到支承和散热的作用。另外钨铜复合材料具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性和高强度、高硬度等特点，广泛用作电触头材料，电阻焊、电火花加工和等离子电极材料。钨铜复合材料在军事上已被用作军工用发汗材料，其它一些新的用途也正在研究发展，如电磁炮的导轨材料，它应用钨铜材料的耐热性、高导电性和抗电弧、抗摩擦等性能。

根据钨基材料的各项特性，各种新的可能应用还在不断地研究和开发中，如在核聚变实验装置中做为面向等离子体材料；用作重载荷滑动摩擦轴套的加强筋，用作高速旋转和运动的固体密封件；各种仪器仪表中要求无磁、低膨胀、高弹性模量，防辐射屏蔽等特殊要求的零部件；在新一代集成电路中，由于布线越来越细，散热和耐温的需要都将扩大钨基板材的需求，此外金属封装也将向难熔材料发展。

随着应用领域的扩大，对钨基材料的质量和性能提出了更高的要求，包括高密度、高结构均匀性和高的热、电性能等。为了达到高的力学性能，采用超细和微晶难熔钨合金材料越来越成为难熔钨基合金及其复合材料的发展趋势。超细和微晶难熔钨合金材料可以大幅度地提高材料的力学性能。但是由于超细晶粒(特别是纳米级晶粒)活性大，在烧结中迅速长大，若不加以控制，很难获得超细晶的材料。例如据报导，纳米W-Cu粉末烧结5min即可致密化，但在烧结中晶粒长大十分迅速，不易于控制。目前主要是采用添加晶粒长大抑制剂如VC，TaC，TiC，ZrC，La₂O₃，ThO₂等的方法来控制晶粒的长大。除此之外，新的纳米材料烧结技术已开始应用，包括等离子体活化烧结和快速热等静压法。

对于钨铜复合材料，随着铜含量的变化，通常需要采用不同的制备方法，如铜含量在50％以下时，常采用熔渗法制备，铜含量大于50％时则更多的采用液相烧结法。目前还没有一种简便有效的方法可以同时制备铜含量任意可调的钨铜复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种晶粒度可控的超细晶粒纯钨材料、钨基高比重合金(如W-Ni-Cu，W-Ti-Cu等)和钨铜复合材料的制备方法。强化钨基材料的烧结和缩短钨基材料的烧结时间，避免在烧结过程中可能发生的晶粒长大现象。

本发明通过选择不同粒度的钨粉，可以制备获得晶粒尺寸可控的超细晶粒纯钨材料、钨基高比重合金(如W-Ni-Cu，W-Ti-Cu等)和钨铜复合材料。具体工艺为：

a、原料的准备：选择粒度＜10μm的钨粉，当钨粉粒度小于1μm时，需要对其预先进行造粒，以提高其成型性能；对于钨基高比重合金需要将钨粉与合金元素(加入量0.1％～5％，为重量比)进行机械混合；所述的合金元素为Cu，Ni，Zr，Ti中的一种或两种；对于钨铜复合材料需要将钨粉与铜粉(加入量10％～90％，为体积比)进行机械混合；

b、生坯的成型：将上述处理的钨粉或混合粉进行模压成型，成型压力为30--100MPa；或冷等静压成型，成型压力为100-300MPa；

c、生坯的烧结：将成型好的生坯置于一叶腊石模具中，放入压机中；首先对样品施加1-10GPa的压力，压力是双向加压或六面加压；然后对样品两端施加10-25kW的交流电进行烧结，通电时间为30秒-3分钟，通电烧结后，继续保压0.5-3分钟；烧结体经研磨抛光，相对密度为96-99％。

本发明的优点在于：采用超高压力下通电烧结的方法制备晶粒度可控的钨基块体材料和钨铜复合材料，施加超高压力以强化钨基材料的烧结和缩短钨基材料的烧结时间，避免在烧结过程中可能发生的晶粒长大现象。施加高交流电使钨坯体通过自身电阻加热获得需要的烧结温度。钨铜复合材料在烧结过程中，铜不会发生明显的熔融流失，能够保持最初的成分含量。制备得到的超细晶粒钨基块体材料及钨铜复合材料有较好的力学性能和抗热冲击性，适于电子封装材料，热沉积材料，电触头材料以及耐高温等离子体冲刷部件，如核聚变装置中的偏滤器材料等。

具体实施方式

实施例1：钨的晶粒度为0.2μm的纯钨块体材料的制备。

将粒度为0.2μm的钨粉首先进行造粒，在冷等静压机中进行成型，成型压力为200MPa，成型好的坯体经机加工成一定尺寸后放入叶腊石模具中，在8GPa，输入功率为23kW交流电作用下进行烧结，烧结时间为2分钟。所得样品经研磨抛光后，测得密度为18.53g/cm³，显微硬度为1169.80MPa，抗弯强度为596.29MPa，室温热导率为105.1W/mk。

实施例2：钨的晶粒度为1μm的纯钨块体材料的制备。

将粒度为1μm的钨粉在冷等静压机中进行成型，成型压力为200MPa，成型好的坯体经机加工成一定尺寸后放入叶腊石模具中，在6GPa，输入功率为23kW交流电作用下进行烧结，烧结时间为2分钟。所得样品经研磨抛光后，测得密度为18.63g/cm³显微硬度为772.30MPa，抗弯强度为561.12MPa，室温热导率为128.5W/mk。

实施例3：钨的晶粒度为7μm的纯钨块体材料的制备。

将粒度为1μm的钨粉在冷等静压机中进行成型，成型压力为200MPa，成型好的坯体经机加工成一定尺寸后放入叶腊石模具中，在6GPa，输入功率为23kW交流电作用下进行烧结，烧结时间为1分钟。所得样品经研磨抛光后，测得密度为18.89g/cm³，显微硬度为592.20MPa，抗弯强度为461.21MPa，室温热导率为97.77W/mk。

实施例4：钨的晶粒度为1μm的W-Ni-Cu高比重合金的制备。

将粒度为1μm的钨粉和粒度为-300目左右的Ni粉和Cu粉进行机械混合，Ni粉和Cu粉的加入量均为2.5vol％。混合后的粉末模压成型，成型压力为50MPa，成型好的坯体放入叶腊石模具中，在8GPa，输入功率为23kW交流电作用下进行烧结，烧结时间为1分钟。所得样品经研磨抛光后，测得密度为18.59g/cm³，显微硬度为792.20MPa，抗弯强度为576.58MPa。

实施例5：钨的晶粒度为0.5μm的W-Cu合金的制备。

将粒度为0.5μm的钨粉和粒度为-200目的Cu粉进行机械混合，Cu的加入量为5vol％。混合后的粉末模压成型，成型压力为50MPa，成型好的坯体放入叶腊石模具中，在8GPa，输入功率为20kW交流电作用下进行烧结，烧结时间为1分钟。所得样品经研磨抛光后，测得密度为18.19g/cm³，显微硬度为989.50MPa，抗弯强度为591.58MPa。

实施例6：钨的晶粒度为1μm的钨铜复合材料(铜含量为50vol％)的制备。

将粒度为1μm的钨粉和粒度为-300目的Cu粉进行机械混合，Cu的加入量为50vol％。混合后的粉末模压成型，成型压力为50MPa，成型好的坯体放入叶腊石模具中，在8GPa，输入功率为13kW交流电作用下进行烧结，烧结时间为1分钟。所得样品经研磨抛光后，测得密度为13.67g/cm³,室温热导率为194.77W/mk。

实施例7：钨的晶粒度为1μm的钨铜复合材料(铜含量为25vol％)的制备。

将粒度为1μm的钨粉和粒度为-300目的Cu粉进行机械混合，Cu的加入量为25vol％。混合后的粉末模压成型，成型压力为50MPa，成型好的坯体放入叶腊石模具中，在8GPa，输入功率为13kW交流电作用下进行烧结，烧结时间为50秒。所得样品经研磨抛光后，测得密度为11.167g/cm³，室温热导率为247.77W/mk。