一种兼具优异热稳定性和力学性能的纳米晶钨铜复合材料制造技术

一种兼具优异热稳定性和力学性能的纳米晶钨铜复合材料，属于W

【技术实现步骤摘要】
一种兼具优异热稳定性和力学性能的纳米晶钨铜复合材料


[0001]本专利技术涉及一种利用机械合金化和快速热压烧结制备新型钨铜(W
‑
Cu)基复合材料，所制备的W
‑
Cu
‑
Mn复合材料兼顾纳米晶组织稳定性和界面力学性能，属于W
‑
Cu复合材料和粉末冶金领域。

技术介绍

[0002]W
‑
Cu复合材料是由W和Cu两种金属混合而成的双金属材料，由于两相金属既不互溶也不形成金属间化合物，因此称之为“假合金”。W
‑
Cu复合材料保留了W相和Cu相综合的理化性质，例如金属W的高强度、硬度、耐磨耐腐蚀、低热膨胀系数和Cu良好的导电、导热性。通过调控复合材料中W相和Cu相的成分可获得不同综合性能的W
‑
Cu复合材料，满足其在不同工作环境下的需求。W
‑
Cu复合材料性能可控的特点使其广泛应用于高压电接触材料、电子封装材料以及航天航空等领域。W相晶粒尺寸对W
‑
Cu复合材料的力学性能具有显著的影响，W相具有纳米晶结构的W
‑
Cu复合材料的强度相比于传统粗晶W
‑
Cu复合材料可明显提升，但纳米晶组织在高温服役环境下容易发生热失稳而导致晶粒快速长大，这严重影响了纳米结构W
‑
Cu复合材料应该具有的优异力学性能。因此提升W相晶粒尺寸的稳定性是获得具有优异力学性能的W
‑
Cu基复合材料的关键。
[0003]已有研究表明，溶质元素添加能够改善晶粒尺寸的稳定性。例如，在W基体中添加的Ti元素容易偏聚到W晶界，通过降低晶界能获得稳定的W纳米晶结构；在W基体中添加Cr元素可形成Cr相尺寸接近W相晶粒尺寸的W
‑
Cr双相纳米晶结构。虽然添加合金元素可稳定纳米晶组织，但合金元素的添加也会导致复合材料塑性的降低。一方面，由于随着晶粒尺寸降低到纳米尺度，晶粒内部产生位错更加困难，塑性形变难以发生；另一方面，大多数添加元素会对晶界强度产生不利影响。因此，迫切需要优选出合适的溶质元素，该溶质元素的添加可兼顾纳米晶组织稳定和界面力学性能，从而协同提升W
‑
Cu基复合材料的高温稳定性、强度以及塑性。

技术实现思路

[0004]本专利技术获得了一种纳米晶组织稳定性和力学性能协同提升的新型W
‑
Cu
‑
Mn复合材料。Mn元素的添加有利于在界面处偏聚，形成细小、弥散分布的纳米颗粒相，阻碍界面迁移，获得稳定的W相及其内部的纳米晶组织，同时有利于提升界面强度。添加Mn元素制备的复合材料兼顾了纳米组织稳定性和界面强度，解决了其他元素添加容易脆化界面、降低界面强度、导致复合材料在强度提升的同时塑性下降的问题。通过烧结制备获得了纳米晶W
‑
Cu
‑
Mn复合材料，该复合材料在高温稳定性、抗压强度以及塑性变形等方面表现出优异的综合性能。
[0005]本专利技术提供的制备W
‑
Cu
‑
Mn复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006](1)以微米级W粉末和Mn粉末为原料，使用行星式球磨机进行机械合金化，采用硬质合金球磨罐和磨球，球料比为15：1，转速为580～620rpm，球磨时间为36h，得到W
‑
Mn纳米
晶单相合金粉末。
[0007](2)以微米级Cu粉末和Mn粉末为原料，使用振动球磨方式进行机械合金化，采用不锈钢罐和磨球，球料比为20：1，转速为350～380rpm，球磨5h，得到Cu
‑
Mn纳米晶单相合金粉末。
[0008]上述步骤(1)、(2)中，W
‑
Mn纳米晶单相合金粉末和Cu
‑
Mn纳米晶单相合金粉末中Mn的含量均为4～10at.％，具有较宽的可调控范围。
[0009](3)将步骤(1)和步骤(2)经过球磨得到的W
‑
Mn和Cu
‑
Mn单相合金粉末混合均匀，使用的行星球磨机的转速为260rpm，球料比为10：1，球磨6h后得到纳米晶W
‑
Cu
‑
Mn复合粉末；其中W
‑
Mn单相合金粉末和Cu
‑
Mn单相合金粉末的质量比为(6～8):(2～4)；
[0010](4)将步骤(3)混合均匀的粉末装入石墨模具后，在快速热压烧结炉中进行烧结，当炉腔内真空度达到2
×
10
‑2Pa以下时开始通电流升温，采用80～100℃/min的升温速率，在升温的同时增加压力，当压力达到100
[0011]MPa后保持恒定，当温度升至900～950℃后保温5min，保温结束后样品随炉冷却至室温，取样脱模后得到制备态W
‑
Cu
‑
Mn复合材料。进一步将制备态W
‑
Cu
‑
Mn复合材料经过高温管式炉进行H2热处理，温度为800℃，时间为2h，最终得到本产品。
[0012]上述步骤(4)中，烧结温度需根据Mn元素含量不同进行调整，以便获得成分和组织均匀、高致密度的W
‑
Cu
‑
Mn复合材料。
[0013]本技术的特色和技术优势如下：
[0014]①
在W
‑
Cu
‑
Mn复合材料的W相中，Mn元素以纳米颗粒相的形式分布于W晶界，这些颗粒相的平均尺寸为几纳米至十几纳米，最终获得的W相平均晶粒尺寸为几十纳米。Mn与其他W基合金中所用Ti、Cr等添加元素的分布形式存在显著区别。
②
添加Mn形成的纳米颗粒弥散分布于晶界，起到钉扎界面、阻碍界面迁移的作用，因此稳定了复合材料的组织结构。
③
在稳定组织结构的同时，Mn元素在界面处分布还抑制界面脆化，有利于提升界面强度。综上，本专利技术制备的W
‑
Cu
‑
Mn复合材料兼具优异的热稳定性和力学性能，具有高的抗压强度和高的压缩塑性。
④
本专利技术制备的W
‑
Cu
‑
Mn复合材料在高温服役过程中有望比已有W
‑
Cu复合材料更高的组织稳定性和强度，从而可拓展W
‑
Cu基复合材料在高温领域的应用。
附图说明
[0015]图1为实施例1中制备得到的W
‑
Cu
‑
5at.％Mn复合材料的W相的显微组织；
[0016]图2为实施例1中热处理后W
‑
Cu
‑
5at.％Mn复合材料的微观组织形貌；
[0017]图3为对比例1中制备得到的W
‑
Cu复合材料的微观组织形貌；
[0018]图4为实施例1制备得到的W...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼具优异热稳定性和力学性能的纳米晶钨铜(W
‑
Cu)复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以微米级W粉末和Mn粉末为原料，使用行星式球磨机进行机械合金化，采用硬质合金球磨罐和磨球，球料比为15：1，转速为580～620rpm，球磨时间为36h，得到W
‑
Mn纳米晶单相合金粉末；(2)以微米级Cu粉末和Mn粉末为原料，使用振动球磨方式进行机械合金化，采用不锈钢罐和磨球，球料比为20：1，转速为350～380rpm，球磨5h，得到Cu
‑
Mn纳米晶单相合金粉末；上述步骤(1)、(2)中，W
‑
Mn纳米晶单相合金粉末和Cu
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Mn纳米晶单相合金粉末中Mn的含量均为4～10at.％，具有较宽的可调控范围；(3)将步骤(1)和步骤(2)经过球磨得到的W
‑
Mn和Cu
‑
Mn单相合金粉末混合均匀，使用的行星球磨机的转速为260rpm，球料比为10：1，球磨6h后得到纳米晶W
‑
Cu
‑
Mn复合粉末；其中W
‑
Mn单相合金粉末和Cu
‑
Mn单相合金粉末的质量比为(6～8):(2～4)；(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋晓艳，盛焕瑶，侯超，吕皓，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：