專利名稱：一種制備高鎢含量、均勻致密W-Cu復合材料的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于W-Cu復合材料的制備技術領域，提出了以銅包鎢粉為原料采用冷噴涂技術制備復合材料的工藝技術方法。
背景技術：
中國是鎢資源大國，鎢儲量居世界第一位，這為我們加大對鎢系高比重合金制品的研發(fā)和生產提供了便利條件。W-Cu復合材料是由高熔點、低熱膨脹系數的鎢和高導電、導熱率的銅所組成的既不互溶又不形成金屬間化合物的組織。鎢、銅之間的弱相互作用，使之能具備兩者本征物理性能的有機組合，因此，被廣泛地用于高性能電觸頭材料、電極材料、 電子封裝材料以及航天和軍工領域高溫用材料等。由于W和Cu兩種材料的熔點相差較大，采用熔鑄方法很難使兩組元之間均勻熔化和熔合，傳統(tǒng)的W-Cu復合材料制備方法主要采用粉末冶金制備技術包括熔滲法、活化燒結法等。熔滲法是將鎢粉壓制成坯塊，在一定溫度下預燒成具有一定強度和密度的多孔W 基體骨架，然后將熔點較低的金屬Cu熔化滲入到W骨架中，得到較致密的W-Cu合金。但熔滲燒結時，液相Cu僅靠W骨架孔隙的毛細管作用滲入，銅凝固相不容易細小均勻；而高溫燒結又會使W顆粒聚集長大，最終形成粗大不均勻的組織。活化燒結法通常是在W粉中加入少量狗、Ni、Co等活化劑，經混粉壓制后，能在較低溫度下燒結出一定密度的鎢坯，再進行浸銅。但活化劑的加入會顯著的降低W-Cu材料的電導率，同時活化燒結后鎢坯的收縮變形較大，并且其燒結率隨燒結溫度的不同而變化，鎢坯的密度不好控制，最終導致滲銅后W-Cu 材料的化學成分偏差較大。這些組織的不致密與不均勻最終影響材料的關鍵性能如硬度、 斷裂強度、電導率、熱導率等。隨著科學技術的發(fā)展，對高比重W-Cu合金的性能要求越來越高。為提高鎢、銅合金的強度和氣密性，要求其具有接近完全致密的密度(相對密度大于98%)；為獲得特定的物理性能，要求嚴格控制其成分和微結構形態(tài)；對復雜形狀部件的近凈成型，則要求嚴格控制尺寸及變形等。為了適應這些特殊的應用要求，W-Cu復合材料生產工藝的改進和制備新技術的發(fā)展被不斷推進。冷噴涂是近年發(fā)展起來的一種新型噴涂技術，該方法通過高速固態(tài)粒子與基體發(fā)生碰撞產生塑性變形而形成涂層。利用低溫預熱的高壓氣體攜帶粉末顆粒經縮放型拉瓦爾噴管產生超音速氣-固兩相流，可使顆粒加速到500-1200m/s范圍甚至更高；撞擊過程中顆粒一部分動能在瞬間(約10、)轉化為熱能，接觸界面局域溫度瞬間升高，發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)，產生金屬射流及射流混合，然后迅速冷卻產生冷焊作用；后續(xù)高動能顆粒重復這一過程并通過夯實作用最終形成致密涂層。由于噴涂溫度較低，噴涂材料不易氧化，涂層能夠保持原始設計成分；另外熱影響小、熱殘余應力低，能夠制備厚涂層及塊體材料。然而研究發(fā)現，采用兩組元或多組元機械混合粉體喂料制備冷噴涂復合涂層時， 如果不同組元之間顆粒材料的特性相差較大，則它們的沉積行為及沉積難易程度就會各不相同，塑性較好的組元顆粒沉積效率較高，塑性較差的組元顆粒沉積效率較低，最終導致涂層中軟質相含量較高、硬質相含量偏低，使涂層偏離設計成分；即使通過提高混合粉體中硬質相的相對含量也很難從根本上解決上述問題。例如，以比例為75W-25Cuwt. %的機械混合粉為原料，冷噴涂制成的W-Cu復合材料中W的含量僅達到20wt%左右，與原始粉末相比損失了近73%。因此，在相關研究基礎上，本發(fā)明提出了一種以銅包鎢粉末為原料通過冷噴涂技術制備W-Cu復合材料的新方法。由于Cu的變形能力遠好于W，在冷噴沉積過程中，W粉表面Cu鍍層更容易發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)而實現顆粒間的牢固結合；而且Cu鍍層還可以通過劇烈變形吸收顆粒動能，減少反彈現象，提高沉積效率及組織致密化程度；另外Cu鍍層的隔離作用還可以降低W顆粒的偏聚，使沉積材料組織更好地均勻分布。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種以銅包鎢粉末為原料用冷噴涂技術制備鎢、銅復合材料的新方法。粉體喂料采用市場上出售的化學鍍銅包鎢粉末；為滿足制備涂層中W和Cu含量范圍的要求，購買包覆粉時，可對一定尺寸范圍W顆粒以及一定厚度范圍Cu鍍層的包覆粉進行選擇。冷噴涂設備是自主設計組裝的冷噴涂系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖1所示。采用化學鍍制備的質量比為90W-10Cuwt. %銅包鎢粉末，粉末的粒徑分布在50-100Mm，粉體截面掃描電鏡微觀組織分析結果如圖2所示。金屬基板經過超聲波清洗后，用砂紙打磨去除表面氧化皮；然后固定在數控平臺上。輸入程序，控制每道次之間的距離在2-3mm之間，以形成一定尺寸面積和厚度的涂層。 噴槍垂直固定在基板上方；噴涂工藝參數為工作氣體為隊或He，噴涂距離10-20mm，噴涂氣體壓力2. 5-3. OMPa,氣體溫度400-600°C，基板移動速度^0-320mm/min，送粉率15_25g/ min ；其中，所述金屬基板為銅基體或鋁基體。本發(fā)明的有益效果是實驗制備了面積20mm X 30mm，厚度3_5mm的W-Cu復合材料塊體。對粉體及涂層進行XRD分析發(fā)現，W-Cu復合材料無氧化發(fā)生，保持了與粉體喂料相同的組織結構。涂層的掃描電鏡微觀組織分析發(fā)現，W和Cu兩相分布均勻，無偏聚發(fā)生。EDS 分析可知涂層中硬質相鎢含量比采用混合粉制備的涂層大幅度提高。冷噴涂以固態(tài)顆粒高速撞擊產生強烈塑性變形而形成涂層，后續(xù)粒子又對前期涂層產生夯實作用，涂層沒有因熔融狀態(tài)冷卻的體積收縮過程，因而孔隙率較低；而且還可以通過后續(xù)致密化處理使材料進一步致密化。可見，本方法制備W-Cu復合材料具有工藝簡單、生產周期短、成本低，加工靈活、適應性強等優(yōu)點。


圖1冷噴涂系統(tǒng)結構示意圖。圖2包覆粉截面的SEM組織形貌示意圖。圖3實施例1的涂層外觀總體形貌示意圖。圖4原始粉末與涂層的XRD結果曲線示意圖。圖5涂層橫截面的SEM形貌示意圖。圖中
1.氣源、2.氣體控制單元、3.質量流量計、4.送粉器、5.噴槍、6.測溫與測壓儀表、7.基板、8.數控工作臺、9.氣體加熱器。
具體實施例方式
以下結合具體實施方式
對本發(fā)明做進一步的說明。實施例1
粉體喂料采用市場上出售的化學鍍銅包鎢粉末，粉體粒度及主要成分為粒徑在 50-100微米的包覆粉，其鎢銅質量比為90:10。基體材料采用銅基體，噴涂前將基板表面用超聲波清洗干凈，用240號砂紙打磨去除表面氧化皮。噴涂時把基體試樣固定在X-Y-Z三維數控移動工作平臺上，噴槍固定在工作平臺的垂直正上方。輸入程序，控制每道次之間的距離在2-3mm之間。噴涂時平臺以一定的速度沿X軸方向移動，掃描形成一道涂層，一道掃描結束后平臺沿著Y軸方向移動一定的寬度， 再沿X軸以同樣速度反方向移動形成道次搭接，各道次反復搭接形成較大面積涂層。形成一定面積的涂層后基板再做同種方式運動，在已有涂層上形成多層沉積，從而實現厚涂層甚至塊體材料的沉積，所制備厚涂層的實物照片見圖3。采用自主設計組裝的冷氣體動力噴涂系統(tǒng)，選擇氮氣為工作氣體和送粉氣體。冷噴涂的具體工藝參數如下工作氣體N2，噴涂距離20mm，噴涂氣體壓力2. 8MPa，氣體溫度 500 0C，工作平臺移動速度300mm/min，送粉率20g/min。對以上實例中獲得的涂層進行衍射分析可知，涂層物相為W和Cu的機械混合物， 沒有利用熱噴涂制備產生的氧化物，見圖4。制備了橫截面試樣，掃面電鏡觀察涂層厚度可達3mm，鎢、銅分布均勻，無鎢或銅的團聚，見圖5。EDS分析知涂層中鎢含量約為66wt%，以包覆粉末為原料，W的含量損失約27%，與以機械混合粉末為原料，W的含量損失70%相比， 鎢的沉積情況有明顯改善。涂層的布氏硬度約為150HB，用FQR7501A渦流電導儀測得電導率為20. 5mS/m(35IACS%)，用Image-Pro軟件測得涂層的孔隙率在0. 50%vol左右。實施例2
粒徑在50-100微米的包覆粉，其鎢銅質量比為90 10。基體材料采用鋁基體，噴涂前將基板表面用超聲波清洗干凈，用240號砂紙打磨去除表面氧化皮。噴涂時把基體試樣固定在X-Y-Z三維數控移動工作平臺上，噴槍固定在工作平臺的垂直正上方。輸入程序，控制每道次之間的距離在2-3mm之間。噴涂時平臺以一定的速度沿X軸方向移動，掃描形成一道涂層，一道掃描結束后平臺沿著Y軸方向移動一定的寬度， 再沿X軸以同樣速度反方向移動形成道次搭接，各道次反復搭接形成較大面積涂層。形成一定面積的涂層后基板再做同種方式運動，在已有涂層上形成多層沉積，從而實現厚涂層甚至塊體材料的沉積。采用自主設計組裝的冷氣體動力噴涂系統(tǒng)，選擇氮氣為工作氣體和送粉氣體。冷噴涂的具體工藝參數如下工作氣體N2，噴涂距離10mm，噴涂氣體壓力3. OMPa，氣體溫度 400 0C，工作平臺移動速度300mm/min，送粉率20g/min。實施例3
粒徑在50-100微米的包覆粉，其鎢銅質量比為90 10。基體材料采用銅基體，噴涂前將基板表面用超聲波清洗干凈，用240號砂紙打磨去除表面氧化皮。噴涂時把基體試樣固定在X-Y-Z三維數控移動工作平臺上，噴槍固定在工作平臺的垂直正上方。輸入程序，控制每道次之間的距離在2-3mm之間。噴涂時平臺以一定的速度沿X軸方向移動，掃描形成一道涂層，一道掃描結束后平臺沿著Y軸方向移動一定的寬度， 再沿X軸以同樣速度反方向移動形成道次搭接，各道次反復搭接形成較大面積涂層。形成一定面積的涂層后基板再做同種方式運動，在已有涂層上形成多層沉積，從而實現厚涂層甚至塊體材料的沉積。 采用自主設計組裝的冷氣體動力噴涂系統(tǒng)，選擇氮氣為工作氣體和送粉氣體。冷噴涂的具體工藝參數如下工作氣體N2，噴涂距離25mm，噴涂氣體壓力2. 5MPa，氣體溫度 600 0C，工作平臺移動速度300mm/min，送粉率25g/min。
權利要求
1. 一種制備高鎢含量、均勻致密W-CU復合材料的方法，其特征在于，該方法采用冷噴涂技術，以化學鍍銅包鎢粉末為粉末喂料，制備W-Cu復合材料；涂層粉體采用粒徑在 50-100微米的鎢銅質量比為90:10的鍍銅包鎢粉末，噴涂用金屬基體；噴涂前金屬基板經過超聲波清洗，用240號砂紙打磨去除表面氧化皮，噴涂時把基體固定在X-Y-Z三維數控移動工作平臺上，噴槍固定在工作平臺的垂直正上方，在工作氣體為N2或He，噴涂距離 10-25mm，氣體壓力為2. 5-3. OMPa，氣體溫度400-600°C，工作平臺移動速度300mm/min，送粉率15-25g/min ；通過掃描形成高鎢含量、均勻致密W-Cu復合材料；其中，所述金屬基體為銅基體或鋁基體。
全文摘要
本發(fā)明一種以化學鍍制備的銅包鎢粉為原料，該方法采用冷噴涂技術，涂層粉體采用粒徑在50-100微米的鎢銅質量比為90:10的鍍銅包鎢粉末，噴涂用金屬基體；噴涂前金屬基板經過超聲波清洗，用240號砂紙打磨去除表面氧化皮，噴涂時把基體固定在X-Y-Z三維數控移動工作平臺上，噴槍固定在工作平臺的垂直正上方，在工作氣體為N2或He，噴涂距離10-25mm，氣體壓力為2.5-3.0MPa，氣體溫度400-600℃，工作平臺移動速度300mm/min，送粉率15-25g/min；通過掃描形成高鎢含量、均勻致密W-Cu復合材料。該方法制備的復合材料厚度達3mm以上，原始粉末與涂層鎢含量的差別與以機械混合粉末為原料的情況相比明顯減小，涂層在制備過程中無材料氧化發(fā)生，具有工藝簡單，生產周期短，加工成本低，操作靈活，適應性強等優(yōu)點。
文檔編號C22C27/04GK102363852SQ201110329570
公開日2012年2月29日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權日2011年10月26日
發(fā)明者周香林, 張濟山, 張玲, 鄭雄 申請人:北京科技大學