W-Cu粉末熱擠壓致密工藝及塑性變形研究.pdf

1、W與Cu屬于不互溶材料，也稱為W-Cu復(fù)合材料。傳統(tǒng)上一般采取熔滲燒結(jié)或液相活化燒結(jié)工藝方法制備，但很難獲得高致密度和優(yōu)良的性能（主要為電導(dǎo)率和硬度值）。為了獲得具有優(yōu)良性能的高檔W-Cu材料，一般還要采用真空熱壓或熱等靜壓。由于真空熱壓與熱等靜壓工藝生產(chǎn)效率低，成本高，難以獲得廣泛應(yīng)用。為了尋找一種能夠替代熱等靜壓方法的新工藝，本文研究了 Cu含量20~50wt.％范圍內(nèi)W-Cu材料粉末熱擠壓致密化，重點(diǎn)研究了粉末包套液相擠壓制備W-

2、Cu材料的工藝。
　　由于 W相再結(jié)晶溫度（>1600℃）遠(yuǎn)高于Cu相熔化溫度（1083℃）且兩相不互溶，本文提出了兩種粉末熱擠壓塑性變形致密工藝：一種是W-Cu（20~50wt.%）粉末經(jīng)傳統(tǒng)液相燒結(jié)制坯后再經(jīng)熱靜液擠壓致密，另一種是W-Cu（20~50wt.%）粉末壓坯不經(jīng)燒結(jié)，在1000~1150℃范圍內(nèi)直接包套熱擠壓致密，并重點(diǎn)研究了1100℃下的液相擠壓工藝。同時(shí)，W-Cu屬于難變形材料，為了進(jìn)一步提高材料的性能，也為了

3、使W-Cu產(chǎn)品品種趨于多樣化，還對(duì)液相擠壓工藝制備的W-Cu材料的塑性變形進(jìn)行了研究。
　　復(fù)合粉末的均勻程度將嚴(yán)重影響到塊體材料的組織性能，本文首先研究了不同的混粉和球磨工藝對(duì)W-Cu粉末的影響。相比于機(jī)械混粉，低速球磨混粉能夠獲得細(xì)小的鎢顆粒均勻分布在銅基體上的復(fù)合粉末，為保證W-Cu致密體材料的組織均勻性提供了良好的基礎(chǔ)。對(duì)W-Cu材料液相燒結(jié)熱靜液擠壓工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。熱靜液擠壓工藝使液相燒結(jié)坯料的相對(duì)密度、組織和性能得

4、到了進(jìn)一步的改善。如：W-40wt%Cu擠壓態(tài)坯料相對(duì)密度達(dá)到98%以上，電導(dǎo)率達(dá)到48％IACS，硬度值約為140HV。
　　本文重點(diǎn)研究了W-Cu粉末包套熱擠壓致密工藝，通過實(shí)驗(yàn)得到了擠壓溫度、粉末球磨時(shí)間、擠壓比、包套壁厚、銅含量和熱處理工藝等因素對(duì)擠壓坯相對(duì)密度及組織性能影響的基本規(guī)律。通過對(duì)相對(duì)密度、銅含量、邊緣銅分布幾方面的研究結(jié)果表明，1100℃擠壓可以實(shí)現(xiàn)Cu出現(xiàn)液相的液相擠壓工藝，并獲得良好的組織性能。1100℃

5、下擠壓，坯料內(nèi)部出現(xiàn)液相銅，大大提高了擠壓坯的致密化速度和性能；但再提高擠壓溫度，如1150℃下擠壓，坯料內(nèi)部液相銅出現(xiàn)外滲，以及Cu相聚集形成大塊的網(wǎng)狀分布，雖然此時(shí)相對(duì)密度大幅提高，但坯料導(dǎo)電性能反而大幅降低。如：W-40wt%Cu粉末包套坯料在1100℃液相擠壓，銅相分布均勻，鎢相尺寸細(xì)小（2-3μm），相對(duì)密度達(dá)到97%以上，電導(dǎo)率達(dá)到56%IACS，硬度值高達(dá)215HV。對(duì)于液相擠壓工藝，隨球磨時(shí)間增加，擠壓坯相對(duì)密度降低，導(dǎo)

6、電性能也有所下降，擠壓比和銅含量的增加都有助于提高擠壓坯的相對(duì)密度和導(dǎo)電性能，當(dāng)銅含量在30~50wt.%時(shí)，獲得了良好的擠壓效果。液相擠壓在體現(xiàn)其工藝優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，性能指標(biāo)也已接近同類材料熱等靜壓工藝的水平。
　　通過數(shù)值模擬研究了粉末包套擠壓過程中粉末多孔體和塑性包套的溫度、應(yīng)力應(yīng)變和速度場(chǎng)的分布規(guī)律。討論了擠壓溫度、擠壓速度、擠壓比、包套厚度對(duì)坯料內(nèi)部最高溫度及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、最大應(yīng)變以及粉末多孔體和包套流動(dòng)速度的影響。通過數(shù)值

7、模擬獲得的坯料形狀和擠壓載荷值與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果有很好的一致性。分復(fù)壓和穩(wěn)態(tài)流動(dòng)兩個(gè)階段建立了粉末包套擠壓的理論模型。推導(dǎo)得到了復(fù)壓階段的致密化方程和靜水壓力表達(dá)式，以及穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段所需擠壓力和擠壓比、包套尺寸、多孔體相對(duì)密度的關(guān)系。
　　最后，研究了W-Cu液相擠壓致密材料再經(jīng)不同塑性變形后對(duì)坯料相對(duì)密度、力學(xué)性能和組織性能的影響。結(jié)果表明，多道次軋制相對(duì)密度提高比鐓粗明顯，二次擠壓相對(duì)密度提高最大。鐓粗和軋制變形對(duì)材料性能提高不

8、明顯，多道次軋制電導(dǎo)率值略大于鐓粗變形，硬度值相差不大。二次擠壓坯料的電導(dǎo)率和硬度提高很顯著，W-40wt.%Cu坯料的電導(dǎo)率高達(dá)60％IACS，硬度值超過230HV。
　　與傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相比，再經(jīng)熱靜液擠壓能提高W-Cu材料的相對(duì)密度和性能；而液相擠壓工藝則更進(jìn)一步，省去了坯料長(zhǎng)時(shí)間高溫真空液相燒結(jié)致密過程，包套液相擠壓一次致密，無需保護(hù)氣氛加熱，有著工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、成本低廉、節(jié)能節(jié)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，而且很好的解決了燒結(jié)過程中坯料

9、銅相損失嚴(yán)重以及坯料成分難以精確控制等問題，在制備含銅30wt.%以上的W-Cu材料方面體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢(shì)。本文兩種工藝制備的W-Cu材料性能都比較好。特別是液相擠壓工藝，其相對(duì)密度雖然要略低于熱靜液擠壓，但電導(dǎo)率和硬度要提高很多，有望替代熱等靜壓工藝來制備高檔W-Cu材料。
　　目前國(guó)內(nèi)外還未查閱到關(guān)于熱靜液擠壓和粉末包套熱擠壓工藝制備W-Cu材料的研究和專利的報(bào)導(dǎo)，特別是成功實(shí)現(xiàn)了液相銅出現(xiàn)的液相擠壓過程。同時(shí)，對(duì)W-Cu材料塑