本發明屬于鎢銅合金材料，涉及一種銅鎢合金及其制備工藝。

背景技術：

1、鎢銅合金具有高密度、高強度、高的抗燒蝕性和抗熔焊性以及良好的導熱導電性能和高溫性能，因而廣泛應用于各種高壓斷路器核心部件的電觸頭材料、電火花加工的電極材料以及傳遞大熱流裝置的材料等。鎢銅合金作為典型的假合金，加之鎢的高熔點特性，決定了鎢銅只能通過粉末冶金技術等特殊制備技術制得。其制備流程一般涉及到粉末制備和粉末成型兩個關鍵環節。

2、粉末制備是獲得鎢銅合金的關鍵技術基礎。由于鎢、銅兩種金屬的熔點差別很大，所以通過霧化等合金粉末的傳統技術手段制備鎢銅合金粉末是不可行的。目前，制備鎢-銅合金使用的復合粉末可以是鎢、銅的混合粉末，該類粉末一般是通過混料機或者球磨等機械攪拌的方式獲得，所得混合粉末的均勻性較差且球磨混料過程常常會引入一些不必要的雜質，這對鎢銅合金的導熱等性能是極為不利的；制備鎢銅合金還可以使用一些包覆型粉末，該類粉末的組織均勻性通常要明顯好于通過機械手段混合得到的鎢、銅混合粉末，而且所得復合粉末中鎢、銅的界面結合效果較好，這對制備高性能鎢銅合金是極為有利的。

3、目前，鑒于包覆型復合粉體具備良好的微觀均勻性及較好的表面結合效果。目前人們對包覆式復合粉體的制備研究較多，出現了多種方法。當前應用較廣泛的包覆方法有：化學氣相沉積、沉淀法、溶膠-凝膠法、化學鍍法等。這些方法均屬于化學法大類領域。通常，化學方法會在沉淀析出的金屬微納米顆粒中引入較多的碳、氧原子以及鐵等金屬雜質，這些雜質元素弱化了通過化學包覆粉末制備的鎢銅合金的純度，影響組織均勻性。

技術實現思路

1、為了解決上述技術問題，本發明提供了一種銅鎢合金及其制備工藝，本發明對鎢粉通過在真空條件下的磁控濺射方法鍍銅，得到組織均勻、純度高的高活性銅包鎢復合粉體，并進一步采用真空熱壓燒結得到銅鎢塊體合金。所得合金中雜質元素少、組織均勻、致密度高；同時，由于磁控濺射包覆的銅層表現為亞穩狀態，因而熱壓燒結過程中的燒結時間短、耗能低。本發明解決了傳統方法制備的銅鎢合金組織不均勻、雜質含量較高的難題，也有效降低了燒結能耗。

2、本發明通過以下技術方案實現。

3、本發明提供了一種銅鎢合金的制備工藝，包括以下步驟：

4、將鎢粉末干燥球磨后，在超聲振動作用下，對鎢粉末表面進行等離子活化處理。不僅能去除鎢粉末表面殘余的雜質，還可以增大鎢粉末的表面能，能更好的與鍍膜金屬結合，結合更強。

5、超聲振動作用下，采用磁控濺射方法在活化后的鎢粉末顆粒表面上濺射銅鍍層，直至銅鍍層厚度為0.2-20μm，獲得銅包鎢復合粉末。鎢粉末顆粒活化后，表面能的提升使得鎢粉末與銅形成牢固的化學鍵結合；鎢粉末在鍍膜過程中處于持續振動狀態，同時控制鍍膜的速率，從而實現顆粒每個面均勻的鍍層，這為鎢銅塊體合金的組織均勻性奠定了重要基礎；由于磁控濺射使用的靶材均為高純度(99.99％)，且濺射過程完全在高真空條件下完成，因此所得銅包鎢復合粉末的純度高，避免了顆粒內部雜質成分的存在。

6、將銅包鎢復合粉末和純銅粉末均勻混合，進行真空熱壓燒結，制備初態銅鎢合金塊體。

7、將所述初態銅鎢合金塊體進行半液態燒結，半液態燒結過程中，部分純銅融化，熔融的液態銅填充至所述初態銅鎢合金塊體存在的微納米孔洞內，制得銅鎢合金。銅包鎢粉末顆粒在熱壓過程中必然存在一些微小間隙，這些間隙的存在導致熱壓燒結塊材中存在部分孔洞，這是包括真空熱壓燒結、等離子快速燒結、高壓燒結等出傳統燒結技術不可避免的現象。本發明在熱壓燒結的基礎上，通過半液態燒結(即燒結溫度條件下純銅部分融化)，熔融的液態銅將熱壓燒結初坯中存在的微納米孔洞進行了有效填充，有利于提高燒結組織的結合效果和致密度。

8、在本發明優選的實施例中，采用連續磁控濺射鍍膜設備進行等離子活化處理，處理過程中保持平臺振動，具體參數為：保護氣氛為ar，工作氣壓為0.5pa～1.0pa，處理時間為5min～30min，溫度為室溫，功率為200w～600w，偏壓為80v～200v。

9、在本發明優選的實施例中，采用連續磁控濺射鍍膜設備進行磁控濺射，沉積過程中保持平臺振動，參數為：工作氣氛為ar，工作氣壓為0.2pa～0.6pa，磁控濺射功率為800w～1200w，濺射時間為50min～120min，真空室加熱溫度為40℃～80℃。

10、在本發明優選的實施例中，銅包鎢復合粉末和純銅粉末的質量比為0.26～0.75:1。

11、在本發明優選的實施例中，真空熱壓燒結時，真空度為1×10-3pa，燒結壓強為20mpa～60mpa，溫度為850℃～950℃，保溫時間為20min～60min，冷卻方式為隨爐冷卻。

12、在本發明優選的實施例中，半液態燒結時，真空度為1×10-3pa，20mpa～60mpa，溫度為1085℃～1200℃，保溫時間為20min～60min，冷卻方式為隨爐冷卻。

13、在本發明優選的實施例中，半液態燒結之后，銅鎢合金中銅鎢粉質量與純銅質量之比為0.16～0.55：1。

14、在本發明優選的實施例中，鎢粉末的粒徑為1μm～8μm，鎢粉末干燥后球磨0.5h。磁控濺射使用的銅靶材和銅粉末的純度均≥99.99％。

15、本發明還提供了由上述制備工藝制備的銅鎢合金。

16、與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

17、本發明對鎢粉通過在真空條件下的磁控濺射方法鍍銅，得到組織均勻、純度高的高活性銅包鎢復合粉體，之后進行真空熱壓燒結和半液態燒結，得到銅鎢合金，制備的銅鎢合金純度高，組織均勻，具體機理在于：

18、本發明在包覆前對鎢粉末顆粒進行等離子活化處理，不僅能去除鎢粉末表面殘余的雜質，還可以增大鎢粉末的表面能，能更好的與鍍膜金屬結合，結合更強；在超聲振動的環境中，采用磁控濺射鍍銅，不同于電鍍法制得的金屬層僅僅機械貼和于鎢粉末表面，鎢粉末顆粒活化后，表面能的提升使得鎢粉末與銅形成牢固的化學鍵結合；鎢粉末在鍍膜過程中處于持續振動狀態，同時控制鍍膜的速率，從而實現顆粒每個面均勻的鍍層，這為鎢銅塊體合金的組織均勻性奠定了重要基礎；由于磁控濺射使用的靶材均為高純度(99.99％)，且濺射過程完全在高真空條件下完成，因此所得銅包鎢復合粉末的純度高，避免了顆粒內部雜質成分的存在。

19、銅包鎢粉末顆粒在熱壓過程中必然存在一些微小間隙，這些間隙的存在導致熱壓燒結塊材中存在部分孔洞，這是包括真空熱壓燒結、等離子快速燒結、高壓燒結等出傳統燒結技術不可避免的現象。本發明在熱壓燒結的基礎上，通過半液態燒結(即燒結溫度條件下純銅部分融化)，熔融的液態銅將熱壓燒結初坯中存在的微納米孔洞進行了有效填充，有利于提高燒結組織的結合效果和致密度。

技術特征：

1.一種銅鎢合金的制備工藝，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的銅鎢合金的制備工藝，其特征在于，磁控濺射銅鍍層的厚度為0.2μm～20μm。

3.根據權利要求1所述的銅鎢合金的制備工藝，其特征在于，采用連續磁控濺射鍍膜設備進行等離子活化處理，處理過程中保持平臺振動，具體參數為：工作氣氛為ar，工作氣壓為0.5pa～1.0pa，處理時間為5min～30min，溫度為室溫，功率為200w～600w，偏壓為80v～200v。

4.根據權利要求1所述的銅鎢合金的制備工藝，其特征在于，采用連續磁控濺射鍍膜設備進行磁控濺射，沉積過程中保持平臺振動，參數為：工作氣氛為ar，工作氣壓為0.2pa～0.6pa，磁控濺射功率為800w～1200w，濺射時間為50min～120min，真空室加熱溫度為40℃～80℃。

5.根據權利要求1所述的銅鎢合金的制備工藝，其特征在于，銅包鎢復合粉末和銅粉末的質量比為0.26～0.75:1。

6.根據權利要求1所述的銅鎢合金的制備工藝，其特征在于，真空熱壓燒結時，真空條件下，燒結壓強為20mpa～60mpa，溫度為850℃～950℃，保溫時間為20min～60min。

7.根據權利要求1所述的銅鎢合金的制備工藝，其特征在于，半液態燒結時，真空條件下，燒結壓強為20mpa～60mpa，溫度為1085℃～1200℃，保溫時間為20min～60min。

8.根據權利要求1所述的銅鎢合金的制備工藝，其特征在于，原料鎢粉末的粒徑為1μm～8μm，磁控濺射使用的銅靶材的純度≥99.99％，銅粉末的純度≥99.99％。

9.根據權利要求1～8任一項所述的制備工藝制備的銅鎢合金。

技術總結
本發明屬于鎢銅合金材料技術領域，具體涉及一種銅鎢合金及其制備工藝，將鎢粉末干燥球磨后，在超聲振動作用下，對鎢粉末表面進行等離子活化處理；超聲振動作用下，采用磁控濺射方法在活化后的鎢粉末表面上濺射銅鍍層，獲得銅包鎢復合粉末；將銅包鎢復合粉末和銅粉末均勻混合，進行真空熱壓燒結，制備初態銅鎢合金塊體；將所述初態銅鎢合金塊體進行半液態燒結，制得銅鎢合金。本發明基于磁控濺射方法在鎢粉表面包覆一層一定厚度的高純銅，在實現銅鎢界面有效改性的同時能顯著降低鎢銅合金中的雜質元素、提高鎢銅合金的組織均勻性，最終獲得組織均勻、高致密的鎢銅合金。

技術研發人員：錢旦,胡鏢,劉通宇,史靜雯,孟瑜,孫崇鋒,宋忠孝
受保護的技術使用者：西安交通大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28