【文章內(nèi)容簡介】 特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛?，F(xiàn)在功能梯度材料的成形方法主要有兩類：間斷梯度層和連續(xù)梯度層。另外，還有纖維替代粒子法，電弧熔煉法和固定結(jié)構(gòu)法等等。3．制造技術(shù)發(fā)展趨勢材料科學(xué)作為現(xiàn)代高科技受到了全世界的青睞，鎢銅基合金作為一種用途廣泛的粉末冶金復(fù)合材料同樣也受到了國際科技界的普遍關(guān)注。在常規(guī)燒結(jié)條件下，金屬鎢和銅粉末復(fù)合的致密化過程受到兩種金屬不溶解和低浸潤性的影響，其致密化程度、組織結(jié)構(gòu)分布、成分及尺寸都難以達(dá)到理想狀態(tài)。雖然近年來發(fā)展了一些新技術(shù)、新工藝，但根本問題尚沒有解決。粉末體材料作為一種特殊的脆性材料，如果它的塑性變形致密化工藝采用熱靜液擠壓，則將給粉末的固結(jié)工藝帶來創(chuàng)新性的新成果，也擴(kuò)展了靜液擠壓新的應(yīng)用領(lǐng)域。哈工大首先采用熱靜液擠壓的方法，能有效的提高鎢銅復(fù)合材料的致密度、強(qiáng)度、延伸率、導(dǎo)電性，使其獲得優(yōu)良的綜合性能[48，49]。在粉末塑性致密化工藝當(dāng)中，熱靜液擠壓是一種好方法，其對設(shè)備要求低，易于實(shí)現(xiàn)，而且成本低廉，產(chǎn)品致密化程度高。本項(xiàng)目的發(fā)明就是為了解決粉末致密化的問題，這不僅會促進(jìn)塑性加工學(xué)科與粉末冶金、材料學(xué)科等學(xué)科的相互滲透與發(fā)展，而且對于提高我國鎢銅基材料的研發(fā)及制造水平形成自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)業(yè)都有重要的意義。二、 項(xiàng)目主要技術(shù)內(nèi)容、技術(shù)路線主要研究內(nèi)容1) WCu機(jī)械球磨復(fù)合粉末生產(chǎn)工藝2) 高能球磨生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造3) WCu粉末液相活化燒結(jié)工藝4) WCu燒結(jié)坯的熱靜液擠壓工藝5) WCu不同成份比的燒結(jié)與熱擠壓工藝確定6) WCu復(fù)合材料組織狀態(tài)與性能關(guān)系研究7) WCu復(fù)合材料擠壓致密后的塑性加工成形工藝研究8) WCu復(fù)合材料板材的制造技術(shù)研究9) WCu復(fù)合材料棒材（電極）的熱擠壓模具與工藝裝備設(shè)計(jì)。主要技術(shù)路線WCu粉末混粉 高能球磨 冷壓制坯 液相活化燒結(jié)熱靜液擠壓 熱處理 各種規(guī)格棒材 后續(xù)加工各種電極三、 本項(xiàng)目取得的研究成果及工作基礎(chǔ)WCu復(fù)合材料根據(jù)使用要和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，一般WCu成份配比不同，W含量在90～60wt%，Cu含量在10～40 wt%。當(dāng)Cu含量在10～20 wt%時(shí)，WCu復(fù)合材料采用熔滲工藝或粉末燒結(jié)滲銅工藝。當(dāng)Cu含量較高時(shí)，熔滲工藝就很困難。本項(xiàng)目在W～35 wt%Cu和W～40 wt%Cu進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，有豐富的技術(shù)成果可利用。曾在高比重鎢合金93W和95W的燒結(jié)和熱擠壓工藝進(jìn)行過十幾年研究有豐富的技術(shù)成果可利用，已有良好的工作基礎(chǔ)。下面將以W～35 wt%Cu為例，詳細(xì)介紹本項(xiàng)目取得的研究成果和工作基礎(chǔ)。W～35 wt%Cu粉末形變復(fù)合材料制備工藝1 引言鎢銅復(fù)合材料是由高熔點(diǎn)、高硬度的鎢和高導(dǎo)電、導(dǎo)熱率的銅所構(gòu)成，因而具有良好的耐電弧燒蝕性、抗熔焊性和高強(qiáng)度、高硬度等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛地用作真空開關(guān)電觸頭材料，電熱合金和高密度合金，電阻焊、電火花加工和等離子電極材料[13]。但是，由于W與Cu是不互溶材料，存在難以熔煉、粉末致密性差、制備工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。機(jī)械球磨能夠有效地細(xì)化晶粒，提高粉末的燒結(jié)活性[45]；同時(shí)加入微量元素，能改善鎢銅之間的浸潤性，使兩者之間有一定程度的互溶；液相的存在，使兩相的再分布過程能夠快速、充分地進(jìn)行，可以有效提高燒結(jié)體的致密度，改善性能[69]。本試驗(yàn)采用高能機(jī)械球磨、液相活化燒結(jié)及熱擠壓的方法，對不同球磨時(shí)間的W35wt%Cu復(fù)合粉進(jìn)行液相活化燒結(jié)及熱擠壓形變致密工藝研究，并對材料的組織、性能及影響因素進(jìn)行了分析。2 試驗(yàn)方法本試驗(yàn)采用工業(yè)Ｗ粉、Cu粉及Ni粉，具體性能見表1。%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Ni粉作為活化劑。將粉末按質(zhì)量配比混合均勻后，放入攪拌式高能球磨機(jī)中，以氬氣作為保護(hù)氣體，進(jìn)行不同時(shí)間的球磨。球磨后的復(fù)合粉末采用剛性模常溫單向壓制的方法成形，壓力為780～860Mpa，得到坯料的相對密度為70%～77%。液相活化燒結(jié)實(shí)驗(yàn)在氫氣燒結(jié)爐中進(jìn)行。以不同升溫速度升至設(shè)定的燒結(jié)溫度，分別保溫不同時(shí)間，然后以20℃/min的速度冷卻至室溫。 燒結(jié)后的坯料在850℃、900℃和950℃下進(jìn)行熱擠壓；擠壓比選擇16和36。采用掃描電鏡、電子探針、阿基米德浮力法、四節(jié)點(diǎn)電阻法等測試手段對燒結(jié)及熱擠壓后材料的組織及性能進(jìn)行了分析。表1 初始粉末純度及粒度原始粉末純度 / %平均粒度 /mm微量雜質(zhì)元素WC, O, PCuAl, Pb, Fe, SiNiC, O, P3　試驗(yàn)結(jié)果及分析　燒結(jié)后WCu合金的組織分析圖1為在1135℃燒結(jié)，保溫2小時(shí)后，相對密度達(dá)70%以上的W35wt%Cu（%Ni）元素面分布照片。其中明相為Cu，暗相為W。從圖中可以看出，隨著球磨時(shí)間的延長，活化燒結(jié)后的W、Cu兩相的組織分布越來越均勻。球磨5h和11h的燒結(jié)體中，Cu相有較大一部分分布在W相之間，其原因是由于Ni的存在，改善了燒結(jié)活性，能夠形成CuNi相，使W在CuNi相中有一定的溶解度；改善了W與Cu的浸潤性能，有利于兩者之間的擴(kuò)散互溶。另外，W相形成了連續(xù)的骨架結(jié)構(gòu)，這是燒結(jié)后期，固相W相相互接觸、粘接的結(jié)果。這種Cu相的連續(xù)分布和W相的骨架結(jié)構(gòu)，對于材料的性能是有利的。當(dāng)材料工作在高溫狀態(tài)下時(shí)，W骨架中的Cu由于毛細(xì)作用，不至于揮發(fā)和飛濺，一是有效地提高了材料的抗燒蝕性能；二是保證了Cu優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和W的高硬度、高強(qiáng)度。對比圖(c)和(d)發(fā)現(xiàn)，后者組織中W、Cu兩相的分布不均勻，W沒形成連續(xù)的骨架結(jié)構(gòu)，W相出現(xiàn)了富集區(qū)，這對于材料的電導(dǎo)率、硬度及強(qiáng)度有很大的負(fù)面影響。當(dāng)材料工作在高溫狀態(tài)下時(shí)，會造成銅的飛濺和揮發(fā)，極大地降低了材料的使用壽命。10181。mm10181。mma)b)10181。mm10181。mmc)d)圖1 燒結(jié)后W35wt%Cu元素面分布照片圖1 W—35wt%Cu不同燒結(jié)狀態(tài)顯微組織a)未球磨(活化燒結(jié)) b)球磨5h(活化燒結(jié)) c)球磨11h(活化燒結(jié)) d)球磨5h(常規(guī)燒結(jié)) 擠壓態(tài)W35wt%Cu復(fù)合材料的組織特征 圖2為球磨5h的W35wt%Cu復(fù)合粉燒結(jié)材料熱擠壓前后的電子顯微鏡照片。由圖2(a)和(b)可知，材料經(jīng)熱擠壓后，顆粒得到很大程度的破碎，W呈彌散狀分布，強(qiáng)化了基體，對于提高材料的硬度、抗磨損等性能是極為有利的；Cu相則更加均勻、連續(xù)地分布在W之間，材料的導(dǎo)電性能也將會有較大程度的提高，后面對材料性能的分析也證實(shí)了這一點(diǎn)。另外，由于W之間的間很小，當(dāng)材料工作在高溫狀態(tài)下，其形成的毛細(xì)作用得到加強(qiáng)，使得熔融的Cu不會產(chǎn)生揮發(fā)和飛濺現(xiàn)象，極大延長了材料的使用壽命。同時(shí)由圖2(c) 可以看出W、Cu兩相的纖維狀分布，對材料也能起到充分的強(qiáng)化作用。10181。ma)10181。mmc)10181。mmb)圖2 球磨5h的W35wt%Cu復(fù)合粉燒結(jié)體擠壓前后顯微組織(擠壓比16)a)橫向(擠壓前) b) 橫向(擠壓后) c) 縱向(擠壓后)圖3所示為未球磨W35wt%Cu復(fù)合粉的擠壓態(tài)照片。通過對比圖2及圖3可以看出，未球磨的W相在擠壓過程中變形十分困難，由此可以肯定的說，機(jī)械球磨工藝對于鎢銅復(fù)合材料的制備是極其有利的。10181。mma)10181。mmb)圖3 未球磨W35wt%Cu復(fù)合粉燒結(jié)后擠壓的顯微組織(擠壓比16)a) 橫向 b) 縱向 擠壓態(tài)W35wt%Cu復(fù)合材料的性能及影響因素圖4所示為球磨時(shí)間和擠壓比對材料硬度的影響。由圖可以看出，隨著球磨時(shí)間的延長，材料的硬度顯著增大。這是因?yàn)殡S著球磨時(shí)間的延長，W、Cu兩相的晶粒組織更加細(xì)小，W相的分布更加均勻，同時(shí)產(chǎn)生了復(fù)合粉的加工硬化，這些因素導(dǎo)致了材料整體變形抗力的增大。大擠壓比可以很好地細(xì)化組織，使得W相得到很大程度的破碎，細(xì)小的W相連續(xù)均勻地分布，對于材料宏觀硬度的提高是十分有利的。而對于球磨11h的復(fù)合材料，擠壓比的影響最小，因?yàn)樵谝欢ǖ臄D壓比之下，W相就能得到很大程度的破碎，形成了十分細(xì)小的顆粒，再增加擠壓比，這些細(xì)小的W相進(jìn)一步變形會十分困難。而球磨時(shí)間3h和未球磨的材料，以相對較小的擠壓比擠壓變形時(shí)，雖然有一定程度的破碎，但這種變形進(jìn)行地并不充分，提高擠壓比，還可以使W相進(jìn)一步的變形。因此，擠壓比對其硬度影響程度很大。由此可以得出，材料中W相的組織形貌及分布狀態(tài)對材料的宏觀硬度的影響很大。并且由圖5可知，擠壓比越大，材料的致密度也隨之提高。因?yàn)閿D壓比大，材料的變形量大，材料中殘留的孔隙愈合的傾向增加，相對密度增大。另外，球磨時(shí)間對材料擠壓后的相對密度影響較大，球磨時(shí)間越長，擠壓后材料的相對密度越高。球磨5h和11h的復(fù)合粉，經(jīng)活化燒結(jié)后進(jìn)行擠壓比為16的熱擠壓，%以上，已經(jīng)達(dá)到近全致密。圖4 球磨時(shí)間和擠壓比 圖5 不同球磨時(shí)間熱擠壓態(tài)對材料硬度的影響(850℃) 材料的相對密度(850℃)圖6所示為球磨時(shí)間和擠壓比對擠壓后復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響。由圖可以看出，電導(dǎo)率隨著機(jī)械球磨時(shí)間的延長呈先增加后下降的趨勢，由此可以得出，機(jī)械球磨在一定程度上可以提高材料的導(dǎo)電性能。機(jī)械球磨不但可以破碎粉末顆粒表面的氧化膜，而且可以實(shí)現(xiàn)不同粉末之間的強(qiáng)制焊合，改善兩相的結(jié)合面。短時(shí)機(jī)械球磨，復(fù)合粉形成片層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對于材料導(dǎo)電性是有利的；球磨時(shí)間過長，復(fù)合粉組織雖然得到細(xì)化，但使W與Cu強(qiáng)制擴(kuò)散，使得材料的導(dǎo)電性能顯著降低。另外，在液相活化燒結(jié)過程中，由于活化劑Ni的存在，能與Cu形成CuNi相，使W在其中有一定程度的溶解，這對于材料的導(dǎo)電性能也是不利的。機(jī)械球磨和活化燒結(jié)工藝能夠有效地提高燒結(jié)體致密度，減少孔隙，提高材料導(dǎo)電性；但是W相的溶解卻對材料的導(dǎo)電性能有不利的一面，這是一對矛盾。擠壓后材料中的W相十分細(xì)小，且呈連續(xù)狀分布，這對于提高材料的硬度、強(qiáng)度、抗磨損性、抗燒蝕性能以及延長使用壽命是極為有利的，但是W相的這種分布形成了大量的W/Cu相界面，而相界面能有效的散射電子，降低材料的導(dǎo)電性能。圖7所示為熱處理溫度對球磨5h復(fù)合粉燒結(jié)后擠壓材料的電導(dǎo)率的影響曲線。由圖可以看出。電導(dǎo)率隨著熱處理溫度的升高，有上升的趨勢，當(dāng)熱處理溫度高于600℃