一种制备高钨含量、均匀致密W-Cu复合材料的方法

摘要

本发明一种以化学镀制备的铜包钨粉为原料，该方法采用冷喷涂技术，涂层粉体采用粒径在50-100微米的钨铜质量比为90:10的镀铜包钨粉末，喷涂用金属基体；喷涂前金属基板经过超声波清洗，用240号砂纸打磨去除表面氧化皮，喷涂时把基体固定在X-Y-Z三维数控移动工作平台上，喷枪固定在工作平台的垂直正上方,在工作气体为N2或He，喷涂距离10-25mm，气体压力为2.5-3.0MPa，气体温度400-600℃，工作平台移动速度300mm/min，送粉率15-25g/min；通过扫描形成高钨含量、均匀致密W-Cu复合材料。该方法制备的复合材料厚度达3mm以上，原始粉末与涂层钨含量的差别与以机械混合粉末为原料的情况相比明显减小，涂层在制备过程中无材料氧化发生，具有工艺简单，生产周期短，加工成本低，操作灵活，适应性强等优点。

权利要求

1.一种制备高钨含量、均匀致密W-Cu复合材料的方法，其特征在于，该方法采用冷喷涂技术，以化学镀铜包钨粉末为粉末喂料，制备W-Cu复合材料；涂层粉体采用粒径在

50-100微米的钨铜质量比为90:10的镀铜包钨粉末，喷涂用金属基体；喷涂前金属基板经过超声波清洗，用240号砂纸打磨去除表面氧化皮，喷涂时把基体固定在X-Y-Z三维数控移动工作平台上，喷枪固定在工作平台的垂直正上方,工作气体为N2或He，喷涂距离

10-25mm，气体压力为2.5-3.0MPa，气体温度400-600℃，工作平台移动速度300mm/min，送粉率15-25g/min；通过扫描形成高钨含量、均匀致密W-Cu复合材料；其中，所述金属基体为铜基体或铝基体。

说明书

一种制备高钨含量、均匀致密W-Cu复合材料的方法

技术领域

[0001] 本发明属于W-Cu复合材料的制备技术领域，提出了以铜包钨粉为原料采用冷喷涂技术制备复合材料的工艺技术方法。

背景技术

[0002] 中国是钨资源大国，钨储量居世界第一位，这为我们加大对钨系高比重合金制品的研发和生产提供了便利条件。W-Cu复合材料是由高熔点、低热膨胀系数的钨和高导电、导热率的铜所组成的既不互溶又不形成金属间化合物的组织。钨、铜之间的弱相互作用，使之能具备两者本征物理性能的有机组合，因此，被广泛地用于高性能电触头材料、电极材料、电子封装材料以及航天和军工领域高温用材料等。

[0003] 由于W和Cu两种材料的熔点相差较大，采用熔铸方法很难使两组元之间均匀熔化和熔合，传统的W-Cu复合材料制备方法主要采用粉末冶金制备技术：包括熔渗法、活化烧结法等。熔渗法是将钨粉压制成坯块，在一定温度下预烧成具有一定强度和密度的多孔W基体骨架，然后将熔点较低的金属Cu熔化渗入到W骨架中，得到较致密的W-Cu合金。但熔渗烧结时，液相Cu仅靠W骨架孔隙的毛细管作用渗入，铜凝固相不容易细小均匀；而高温烧结又会使W颗粒聚集长大，最终形成粗大不均匀的组织。活化烧结法通常是在W粉中加入少量Fe、Ni、Co等活化剂，经混粉压制后，能在较低温度下烧结出一定密度的钨坯，再进行浸铜。但活化剂的加入会显著的降低W-Cu材料的电导率，同时活化烧结后钨坯的收缩变形较大，并且其烧结率随烧结温度的不同而变化，钨坯的密度不好控制，最终导致渗铜后W-Cu材料的化学成分偏差较大。这些组织的不致密与不均匀最终影响材料的关键性能如硬度、断裂强度、电导率、热导率等。

[0004] 随着科学技术的发展，对高比重W-Cu合金的性能要求越来越高。为提高钨、铜合金的强度和气密性，要求其具有接近完全致密的密度（相对密度大于98%）；为获得特定的物理性能，要求严格控制其成分和微结构形态；对复杂形状部件的近净成型，则要求严格控制尺寸及变形等。为了适应这些特殊的应用要求，W-Cu复合材料生产工艺的改进和制备新技术的发展被不断推进。

[0005] 冷喷涂是近年发展起来的一种新型喷涂技术，该方法通过高速固态粒子与基体发生碰撞产生塑性变形而形成涂层。利用低温预热的高压气体携带粉末颗粒经缩放型拉瓦尔喷管产生超音速气-固两相流，可使颗粒加速到500-1200m/s范围甚至更高；撞击过程中颗-8粒一部分动能在瞬间（约10 s）转化为热能，接触界面局域温度瞬间升高，发生绝热剪切失稳，产生金属射流及射流混合，然后迅速冷却产生冷焊作用；后续高动能颗粒重复这一过程并通过夯实作用最终形成致密涂层。由于喷涂温度较低，喷涂材料不易氧化，涂层能够保持原始设计成分；另外热影响小、热残余应力低，能够制备厚涂层及块体材料。

[0006] 然而研究发现，采用两组元或多组元机械混合粉体喂料制备冷喷涂复合涂层时，如果不同组元之间颗粒材料的特性相差较大，则它们的沉积行为及沉积难易程度就会各不相同，塑性较好的组元颗粒沉积效率较高，塑性较差的组元颗粒沉积效率较低，最终导致涂层中软质相含量较高、硬质相含量偏低，使涂层偏离设计成分；即使通过提高混合粉体中硬质相的相对含量也很难从根本上解决上述问题。例如，以比例为75W-25Cuwt.%的机械混合粉为原料，冷喷涂制成的W-Cu复合材料中W的含量仅达到20wt%左右，与原始粉末相比损失了近73%。因此，在相关研究基础上，本发明提出了一种以铜包钨粉末为原料通过冷喷涂技术制备W-Cu复合材料的新方法。由于Cu的变形能力远好于W，在冷喷沉积过程中，W粉表面Cu镀层更容易发生绝热剪切失稳而实现颗粒间的牢固结合；而且 Cu镀层还可以通过剧烈变形吸收颗粒动能，减少反弹现象，提高沉积效率及组织致密化程度；另外Cu镀层的隔离作用还可以降低W颗粒的偏聚，使沉积材料组织更好地均匀分布。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种以铜包钨粉末为原料用冷喷涂技术制备钨、铜复合材料的新方法。粉体喂料采用市场上出售的化学镀铜包钨粉末；为满足制备涂层中W和Cu含量范围的要求，购买包覆粉时，可对一定尺寸范围W颗粒以及一定厚度范围Cu镀层的包覆粉进行选择。

[0008] 冷喷涂设备是自主设计组装的冷喷涂系统，系统结构如图1所示。采用化学镀制备的质量比为90W-10Cuwt.%铜包钨粉末，粉末的粒径分布在50-100µm，粉体截面扫描电镜微观组织分析结果如图2所示。

[0009] 金属基板经过超声波清洗后，用砂纸打磨去除表面氧化皮；然后固定在数控平台上。输入程序，控制每道次之间的距离在2-3mm之间，以形成一定尺寸面积和厚度的涂层。喷枪垂直固定在基板上方；喷涂工艺参数为：工作气体为N2或He，喷涂距离10-20mm，喷涂气体压力2.5-3.0MPa，气体温度400-600℃，基板移动速度280-320mm/min，送粉率15-25g/min；其中，所述金属基板为铜基体或铝基体。

[0010] 本发明的有益效果是：实验制备了面积20mm×30mm，厚度3-5mm的W-Cu复合材料块体。对粉体及涂层进行XRD分析发现，W-Cu复合材料无氧化发生，保持了与粉体喂料相同的组织结构。涂层的扫描电镜微观组织分析发现，W和Cu两相分布均匀，无偏聚发生。EDS分析可知涂层中硬质相钨含量比采用混合粉制备的涂层大幅度提高。冷喷涂以固态颗粒高速撞击产生强烈塑性变形而形成涂层，后续粒子又对前期涂层产生夯实作用，涂层没有因熔融状态冷却的体积收缩过程，因而孔隙率较低；而且还可以通过后续致密化处理使材料进一步致密化。可见，本方法制备W-Cu复合材料具有工艺简单、生产周期短、成本低，加工灵活、适应性强等优点。

附图说明

[0011] 图1 冷喷涂系统结构示意图。

[0012] 图2 包覆粉截面的SEM组织形貌示意图。

[0013] 图3 实施例1的涂层外观总体形貌示意图。

[0014] 图4 原始粉末与涂层的XRD结果曲线示意图。

[0015] 图5涂层横截面的SEM形貌示意图。

[0016] 图中：

[0017] 1.气源、2.气体控制单元、3.质量流量计、4.送粉器、5.喷枪、6.测温与测压仪表、7.基板、8.数控工作台、9.气体加热器。

[0018] 具体实施方式：

[0019] 以下结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

[0020] 实施例1

[0021] 粉体喂料采用市场上出售的化学镀铜包钨粉末，粉体粒度及主要成分为：粒径在50-100微米的包覆粉，其钨铜质量比为90:10。基体材料采用铜基体，喷涂前将基板表面用超声波清洗干净，用240号砂纸打磨去除表面氧化皮。

[0022] 喷涂时把基体试样固定在X-Y-Z三维数控移动工作平台上，喷枪固定在工作平台的垂直正上方。输入程序，控制每道次之间的距离在2-3mm之间。喷涂时平台以一定的速度沿X轴方向移动，扫描形成一道涂层，一道扫描结束后平台沿着Y轴方向移动一定的宽度，再沿X轴以同样速度反方向移动形成道次搭接，各道次反复搭接形成较大面积涂层。形成一定面积的涂层后基板再做同种方式运动，在已有涂层上形成多层沉积，从而实现厚涂层甚至块体材料的沉积，所制备厚涂层的实物照片见图3。

[0023] 采用自主设计组装的冷气体动力喷涂系统，选择氮气为工作气体和送粉气体。冷喷涂的具体工艺参数如下：工作气体N2，喷涂距离20mm，喷涂气体压力2.8MPa，气体温度500℃，工作平台移动速度300mm/min，送粉率20g/min。

[0024] 对以上实例中获得的涂层进行衍射分析可知，涂层物相为W和Cu的机械混合物，没有利用热喷涂制备产生的氧化物，见图4。制备了横截面试样，扫面电镜观察涂层厚度可达3mm，钨、铜分布均匀，无钨或铜的团聚，见图5。EDS分析知涂层中钨含量约为66wt%，以包覆粉末为原料，W的含量损失约27%，与以机械混合粉末为原料，W的含量损失70%相比，钨的沉积情况有明显改善。涂层的布氏硬度约为150HB，用FQR7501A涡流电导仪测得电导率为20.5mS/m(35IACS%)，用Image-Pro软件测得涂层的孔隙率在0.50%vol左右。

[0025] 实施例2

[0026] 粒径在50-100微米的包覆粉，其钨铜质量比为90:10。基体材料采用铝基体，喷涂前将基板表面用超声波清洗干净，用240号砂纸打磨去除表面氧化皮。

[0027] 喷涂时把基体试样固定在X-Y-Z三维数控移动工作平台上，喷枪固定在工作平台的垂直正上方。输入程序，控制每道次之间的距离在2-3mm之间。喷涂时平台以一定的速度沿X轴方向移动，扫描形成一道涂层，一道扫描结束后平台沿着Y轴方向移动一定的宽度，再沿X轴以同样速度反方向移动形成道次搭接，各道次反复搭接形成较大面积涂层。形成一定面积的涂层后基板再做同种方式运动，在已有涂层上形成多层沉积，从而实现厚涂层甚至块体材料的沉积。

[0028] 采用自主设计组装的冷气体动力喷涂系统，选择氮气为工作气体和送粉气体。冷喷涂的具体工艺参数如下：工作气体N2，喷涂距离10mm，喷涂气体压力3.0MPa，气体温度400℃，工作平台移动速度300mm/min，送粉率20g/min。

[0029] 实施例3

[0030] 粒径在50-100微米的包覆粉，其钨铜质量比为90:10。基体材料采用铜基体，喷涂前将基板表面用超声波清洗干净，用240号砂纸打磨去除表面氧化皮。

[0031] 喷涂时把基体试样固定在X-Y-Z三维数控移动工作平台上，喷枪固定在工作平台的垂直正上方。输入程序，控制每道次之间的距离在2-3mm之间。喷涂时平台以一定的速度沿X轴方向移动，扫描形成一道涂层，一道扫描结束后平台沿着Y轴方向移动一定的宽度，再沿X轴以同样速度反方向移动形成道次搭接，各道次反复搭接形成较大面积涂层。形成一定面积的涂层后基板再做同种方式运动，在已有涂层上形成多层沉积，从而实现厚涂层甚至块体材料的沉积。

[0032] 采用自主设计组装的冷气体动力喷涂系统，选择氮气为工作气体和送粉气体。冷喷涂的具体工艺参数如下：工作气体N2，喷涂距离25mm，喷涂气体压力2.5MPa，气体温度600℃，工作平台移动速度300mm/min，送粉率25g/min。