Cu-W复材性能研究
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cu-w 复合材料是由 Cu 与 W 组成的既不互溶又不形成金属间化合物的两相单体均匀混合的材料，一般称为 Cu-W 假合金( pseudo-alloy) 。正是这种组合，使得 Cu-W 复合材料兼有 W 的耐高温、强度密度高及 Cu 的导电导热性高、塑性好等特点，使其广泛应用于航天、电子、机械、电器等领域［1 －5］。目前，Cu-W 复合材料基本上采用粉末冶金方法制备，其制品性能受到一定限制。因此，探索新的制备技术以获得组织和微结构更加合理、性能更为优异的新型 W-Cu 材料仍是 W-Cu 材料研究中一个十分重要的方向［6 －8］。近年来，在 W-Cu 复合材料的制备方面，结合不同的使用性能要求，引入了许多新构思和新技术［9］，以满足特殊的使用环境对性能的更高要求。为此，本文作者针对难以制备高 Cu 含量( 质量分数大于 50%) 的 W-Cu 复合材料的问题，采用 W 纤维骨架高温熔渗 Cu 工艺，制备出一种新型的 W-Cu 复合材料，并对其显微组织、密度、硬度和电学性能进行了分析研究。
1 试验材料及方法
试验选用 0. 13mm( 因对于直径大于 0. 5mm的粗 W 纤维，Cu 液不能很好地渗入 W 丝中，制备的合金中有大量孔洞，且局部有严重的富 Cu 现象;而对于直径小于 0. 1mm 的细 W 纤维，不仅会出现上述现象，而且还出现了 W 纤维束的严重倒伏) 、纯度 99. 95%( 质量分数) 的 W 纤维。将 W 纤维紧密并均匀地缠绕在 2. 8mm × 1 000mm 不锈钢棒上;制毡时，将 W 纤维从钢棒上取下，然后将一端固定，另一端用力将 W 纤维拉开成为螺距约 3mm 的螺旋线，最后编织成 300mm 长、100mm 宽的矩形纤维毡。将所制成的纤维毡以一边为轴均匀卷起，放入硬 质 合 金 模 具 中，选 择 85. 63MPa、65. 08MPa、51. 34MPa、42. 80MPa 4 种不同压制压力，将其压制成坯; 测 定 其 孔 隙 度 依 次 为 65. 50%、75. 33%、78. 71% 和 80. 53% 。按孔隙体积的 1. 2 倍计算所需的溶渗 Cu 的质量( 补充高温下 Cu 的挥发) ，预计Cu 的质量分数分别为 50% 、60% 、70% 和 80% 。在高温炉里于 1 350℃烧结，保温 80min。烧结熔渗过程中用 H2保护，降温过程中用 N2保护。制备过程如图 1 所示。用 HB-3000 型布氏硬度计测量试样的硬度，用ESJ200-4 型电子分析天平根据阿基米德原理测定密度，采用 OLYMPUS-GX71 型金相显微镜进行组织形貌观察，用 7501 型涡流电导仪测定电导率。
2 结果及分析
2. 1 显微组织结构分析
图 2 为不同 W 骨架孔隙度的 W-Cu 假合金的显微组织照片。图中灰色部分为 W 纤维，灰白部分为 Cu 基体; W 纤维长短不一，均匀分布在 Cu 基体上。图中类圆形纤维是纵向纤维于基体表面的终点，条形状为横向纤维在基体表面的走向。可以看出，纤维仍然保持纤维骨架编织时的螺旋形态，并没有在熔渗过程中发生大范围的骨架变形。对比 4 种样品 的 显 微 组 织 照 片 可 以 看 出，骨 架 孔 隙 度65. 50% 的 W-50Cu 样品与骨架孔隙度 75. 33% 的W-60Cu 样品的 W 骨架依然保持紧密的排列形式;当孔隙度上升到78. 71%时骨架出现如图2( c) 中的部分移位现象; 当骨架孔隙度达到 80. 53% 时骨架开始出现松散和部分解旋的情况。这是因为: 孔隙度越大，相应渗 Cu 量越多，当骨架孔隙度接近或超过 80%时，骨架在大量 Cu 液涌入挤压的情况下会发生部分的解旋或变形; 当孔隙度处于 0 ～ 75% 范围内时，纤维骨架将精确保持原有形貌。总体来看，4 种孔隙度的 W 骨架经熔渗得到的高 Cu 含量复合材料均表现出良好的致密度和清晰的纤维走向，说明通过 W 骨架孔隙度控制 W、Cu 比例获得不同配比高 Cu 含量的 W-Cu 复合材料这一工艺是可行的。图 3 是 W-Cu 合金宏观与显微组织照片。在宏观照片( 图 3( a) ) 中，灰色的 W 纤维均匀地分布在金属 Cu 基体上; 在显微组织照片( 图 3( b) ) 中，W纤维与 Cu 基体之间的界面非常清晰、平整。由于 W 纤维在空间中均匀地以立体的三维螺旋阵列排列，形成的骨架内通道彼此相通，所形成的孔隙完全为开孔，在熔渗过程中，Cu 液得以完全流入骨架，并不形成传统粉末冶金方法熔渗时易出现的不润湿金属液充填纤维相互接触所形成的尖角或楔形空间。由于螺旋纤维 W 骨架编织的误差，空间纤维形成尖角或楔形空间的几率仍然存在，此时其凝固阻力增大，浸渗缺陷的形成会使密度受到一定影响; 同时，纤维分布的均匀性直接决定着浸渗充填的均匀性。相对于传统颗粒 W 骨架，由于颗粒彼此相对独立，W 的密度远远大于 Cu 的密度，因此在熔渗过程中很容易出现成分的偏析，从而造成材料各部分成分的不均匀，这也是组织均匀一致的高 Cu含量 W-Cu 合金难以制备的关键问题。而 W 骨架纤维彼此间的作用力使得在 Cu 液熔渗过程中，W骨架具有优良的稳定性及出色的高温强度，制备的Cu 合金材料有均匀的组织。
2. 2 性能分析
不同 W、Cu 配比所制备的高 Cu 含量纤维增强W-Cu 复合材料的密度见表 1。可以看出，W-Cu 合金的相对密度均大于 98. 00%，其中 W-70Cu 合金的相对密度达到 99. 67%。在高温气氛保护条件下熔渗烧结，Cu 液流动性增强，W 预制件的孔隙中无空气占据，对 Cu 的充填十分有利。在图2 的显微金相照片中就很少有孔洞。结合显微照片的分析结果，骨架出现部分解旋的 W-70Cu 与 W-80Cu 样品也保持了较高的相对密度，得到的材料致密度高，正如在显微组织中看到的，Cu 液能较好地填充在 W 骨架的孔隙中。Cu 含量为 50% 时，W 颗粒增强的 W-Cu 复合材料的理论密度是 12 g/cm3( GB8320-2003) 。纤维 W骨架增强 W-Cu 复合材料的密度与理论密度的差异主要是浸润性影响所致，因为 W 与 Cu 相互之间几乎没有溶解度，也不能形成中间相，在烧结熔渗时，很容易出现 Cu 液未能充分浸润 W 纤维骨架的现象。不同 W、Cu 配比所制备的高 Cu 含量纤维增强W-Cu 复合材料的布氏硬度见表 2。Cu 含量为 50%时，W 颗粒增强的 W-Cu 复合材料的硬度为 118HB( GB8320-2003) 。从表中可看出，不同孔隙度 W 纤维骨架制备的 W-Cu 复合材料的硬度随着骨架孔隙度的增大而逐渐降低( 即 Cu 含量越高硬度越低) ;但 W 骨架孔隙度为 75. 33% 的 W-Cu 合金，其硬度低于 W 骨架孔隙度 78. 71% 的样品。其原因是: 第一，纤维含量与结构的影响。纤维的性质对复合材料的强度起着至关重要的作用，主要是通过基体合金的微观组织变化实现的［10］，纤维作为载荷的主要承受者［11］，其对位错的产生、亚晶结构的细化有着重要的影响; 在 W-Cu 合金中金属 W 为增强体，故增强效果就体现在 W 纤维的体积分数与分布均匀情况上; 随着 W-Cu 合金的 W 骨架孔隙度的降低，W 纤维的含量增加，W-Cu 复合材料的硬度将呈现增加的总体趋势。第二，界面的影响。金属基复合材料宏观性能的好坏很大程度上取决于基体和增强体之间的界面结合状况［12］，为了获得更高的强度，应该形成稳定的界面结构; 界面结构是基体和增强体性能能否充分发挥并形成最佳综合性能的关键;从图 2 中 W-Cu 合金的显微组织照片可看出，W-Cu合金中 W 纤维与 Cu 基体间界面无异质相存在。第三，基体的影响。基体 Cu 是烧结熔渗后凝结的粘结相，故会存在一些孔隙或小缺陷，也就影响了合金的致密度和组织均匀性; 基体 Cu 上若存在孔隙，在测量硬度时压头同时压在金属基体和孔隙上，使抵抗压头的体积显著减少，从而使材料表层抗塑性变形的能力降低，结果使所测硬度值偏低。从表 1 中可以看出，W 骨架孔隙度为 75. 33% 的 W-Cu 合金，其 W 纤维含量高，但是它的相对密度仅为98. 03%;因为含有较多的孔隙，导致其致密度降低，这也给出了其硬度值异常低于更高孔隙度 78. 71% 样品的原因。
图 4 所示为不同 W 骨架孔隙度的 W-Cu 复合材料样品的电导率的变化趋势，可以看出电导率均在 55%IACS 之上，说明复合材料具有良好的导电性。Cu 含量为50%时，W 颗粒增强的 W-Cu 复合材料的电导率为 51% IACS( GB8320-2003) 。纤维 W骨架增强 W-Cu 复合材料的电导率的总体趋势是随着骨架孔隙度( 即 Cu 含量) 的升高电导率增加，但W 骨架孔隙度为 78. 71% 的样品的电导率比 W 骨架孔隙度为 80. 53% 的稍高，这主要是前者的致密度较后者高的缘故。分析认为，影响 W-Cu 复合材料电导率的主要因素是 Cu 含量与孔隙度。由于W / Cu 合金由 Cu 相和 W 相组成，Cu 相电导率较高，W 相电导率较低，W/Cu 合金的电导率主要取决于 Cu 含量的多少，Cu 含量越高，W/Cu 合金电导率越高; 另一方面，由于 W-Cu 复合材料属于假合金，不仅 Cu、W 纤维之间存在大量的界面，粘结相 Cu里也分布有一定程度的孔隙，而这些都对电子的运动起阻碍作用，粘结相中和界面间的孔隙度与电导率近似成负线性关系。因此，孔隙度越高，W-Cu 合金的导电能力就越差，电导率就越低。4 种样品的含 Cu 比例上升过程中，W 骨架的比例下降，对应的两相接触面积也就相应地减少，从而使电导率增大。
3 结论
1) 将一定直径的 W 纤维缠绕成螺旋状，编织成纤维毡，通过控制压制压力可以制备成一定尺寸、孔隙度不同的 W 纤维骨架; 再于 H2中在1 350℃保温80min 熔渗烧结; 可得到较宽范围 Cu 含量的 W 纤维增强 W-Cu 复合材料。2) 纤维增强法所制备的高 Cu 含量 W-Cu 复合材料，W 纤维均匀分布在 Cu 基体上，纤维骨架没有较大变形，所得复合材料的相对密度达到 98% 以上，硬度超过 86HB，电导率最高达到 78. 4%IACS。