真空熱壓燒結(jié)CuW30復(fù)合材料的熱壓縮變形特性

龍永強(qiáng),田保紅,劉 勇

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽 471023; 2.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽 471023)

0 前 言

鎢銅復(fù)合材料具有高密度、高強(qiáng)度、高硬度、良好的延展性、好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等獨(dú)特性能,被廣泛用作電接觸器、電加工電極、電子封裝材料等功能和結(jié)構(gòu)器件[1-3].鎢銅復(fù)合材料因其性能好、成本低,被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的新型功能材料[4-6].目前大多數(shù)應(yīng)用的鎢銅復(fù)合材料都以鎢為主,鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～90%.近年來,根據(jù)使用性能的要求和鎢銅復(fù)合材料的發(fā)展,又開發(fā)了含銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～90%的細(xì)晶高銅低鎢復(fù)合材料.因其能夠保持較高的強(qiáng)度和導(dǎo)電率,可以代替部分含銀觸頭以降低成本.同時(shí)它還有一定的塑性,解決了鎢銅復(fù)合材料難以加工的困難.另外,可以作為質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化銅合金,這為解決純銅在較高溫度易軟化而應(yīng)用受限制找到了一個(gè)新的途徑[7-8].本文利用真空熱壓燒結(jié)法制備了CuW30復(fù)合材料,并在Gleeble-1500D熱模擬機(jī)上,進(jìn)行了圓柱體軸對稱等溫壓縮試驗(yàn).研究了其高溫壓縮變形過程中反映出的真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系曲線,以及流變應(yīng)力與應(yīng)變速率及變形溫度之間的關(guān)系,考察了其熱流變應(yīng)力、組織變化與變形溫度和變形速率的關(guān)系,建立了等溫壓縮本構(gòu)方程,計(jì)算了熱變形條件下的激活能,為優(yōu)化變形加工條件提供了理論和試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為CuW30復(fù)合材料,采用真空熱壓燒結(jié)法制得,成分配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為70%Cu和30%W.為了消除混合粉末在試驗(yàn)過程中的硬團(tuán)聚現(xiàn)象,混粉先采用手工研磨,然后放在QQM/B輕型球磨機(jī)上充分混合3～5 h.真空熱壓燒結(jié)工藝為:混粉→裝爐→抽真空→升溫→保溫(20 min)→加壓(10 min后卸壓)→保溫→加壓(保溫的最后50 min開始到保溫結(jié)束)→降溫取樣.主要的燒結(jié)工藝參數(shù):真空度為1×10-2Pa,燒結(jié)溫度950 ℃,保溫時(shí)間為2 h,壓制壓力為30 MPa,保壓總時(shí)間為60 min.真空熱壓燒結(jié)為自制模具,在VDBF-250真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行.將錠坯加工成尺寸為8 mm×12 mm的試樣,在Gleeble-1500D材料熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行等溫單道次壓縮試驗(yàn).壓縮變形前將試樣兩端涂上石墨粉作為潤滑劑.變形溫度為650、750、850 和950 ℃;應(yīng)變速率分別為0.01、0.1、1和5 s-1;總壓縮真應(yīng)變量為0.7(最大變形量50).升溫速度為10 ℃/s,變形前保溫3 min,壓縮完成水冷至室溫.另外,將錠坯制成金相試樣,在JSM-5610LV型掃描電鏡下觀察其顯微組織.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 CuW30復(fù)合材料的顯微組織與性能

圖1為真空熱壓燒結(jié)制備的CuW30的顯微組織.從圖1(a)中可以看出，白色的W相均勻地分布在灰色的銅基體上,鎢顆粒和銅基體都比較致密,沒有明顯的空隙；從圖1(b)中可以看出，鎢顆粒大致分布在銅的晶界上,鎢銅界面清晰,沒有發(fā)生明顯的擴(kuò)散.

燒結(jié)前期,顆粒發(fā)生重排、塑性變形和相對滑動(dòng),小的鎢顆粒填充在大的銅顆粒的間隙中,在外在壓力下,銅顆粒發(fā)生塑性變形,銅的體積分?jǐn)?shù)大,銅慢慢包圍了鎢顆粒,形成銅網(wǎng)絡(luò),能較大地提高材料的導(dǎo)電性能；燒結(jié)后期,銅晶粒開始長大,由于分散鎢顆粒對晶界的阻礙,使銅晶粒長大的速度降低,并造成鎢顆粒分布在銅基體的晶界上.

圖1 CuW30復(fù)合材料的微觀組織

表1(見下頁)為真空熱壓燒結(jié)制備的CuW30復(fù)合材料的實(shí)測性能.從表1中可以看出,真空熱壓燒結(jié)制備的CuW30復(fù)合材料的各項(xiàng)性能均好于銀鎢觸頭,為替代銀鎢觸頭提供了新途徑.

表1 CuW30復(fù)合材料的實(shí)測性能Tab.1 Properties of the CuW30 composite

2.2 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖2為CuW30復(fù)合材料在不同變形溫度和不同速率下壓縮變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線.

從圖2中可以看出,所有的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上都出現(xiàn)了一個(gè)明顯的應(yīng)力峰值.當(dāng)變形溫度和應(yīng)變速率一定時(shí),材料的流變應(yīng)力隨著應(yīng)變量的增加而迅速升高,達(dá)到一定的應(yīng)變量(0.2～0.3左右)時(shí),流變應(yīng)力達(dá)到一個(gè)峰值,然后流變應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加而減小.應(yīng)變量超過0.5以后,流變應(yīng)力幾乎保持不變,這是典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶類型.峰值之前,加工硬化效應(yīng)大于動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶軟化效應(yīng);峰值之后,材料呈現(xiàn)明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,動(dòng)態(tài)軟化速率大于加工硬化速率,應(yīng)力值逐漸下降.動(dòng)態(tài)再結(jié)晶結(jié)束后,加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,流變應(yīng)力不隨變形量增大而明顯變化,即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段.

當(dāng)變形溫度一定時(shí),CuW30復(fù)合材料的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增大.如在750 ℃變形時(shí),應(yīng)變速率由0.01 s-1增加到5 s-1,其應(yīng)力峰值由54 MPa增大到120 MPa左右(見圖1(b));當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí),其流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低,如在0.01 s-1變形時(shí),溫度由650 ℃升高到950 ℃,應(yīng)力峰值由75 MPa降低到27 MPa.這說明了CuW30復(fù)合材料是對變形溫度和應(yīng)變速率敏感的材料.

應(yīng)變速率是影響流變應(yīng)力的重要因素之一.其原因是:在溫度一定、材料的組織結(jié)構(gòu)不變的情況下,應(yīng)變速率增大,位錯(cuò)結(jié)構(gòu)形成的速度加快,晶體內(nèi)由于原子間和位錯(cuò)之間的相互作用迅速形成內(nèi)應(yīng)力場和能量勢壘.然而,變形是由擴(kuò)散控制的位錯(cuò)攀移引起的變形或者由割階攀移控制的螺形位錯(cuò)開動(dòng)引起的變形.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要外應(yīng)力和熱激活的驅(qū)動(dòng)來克服由內(nèi)應(yīng)力構(gòu)成的障礙和能量勢壘.在溫度一定的情況下,熱起伏的作用是有限的,需要保持較大的有效應(yīng)力,因此流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率而增大.變形溫度是影響流變應(yīng)力的又一重要因素,隨著變形溫度的升高,原子活動(dòng)的動(dòng)能增加,依賴于原子間相互作用的臨界剪切應(yīng)力減弱,各種點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散加快,依賴于擴(kuò)散的位錯(cuò)開動(dòng)易于進(jìn)行,熱激活能的作用增強(qiáng),位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)依靠的有效應(yīng)力減小致使流變應(yīng)力降低.

峰值應(yīng)力的出現(xiàn)是由位錯(cuò)堆積造成的硬化和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化共同作用的結(jié)果[10].金屬的高溫變形是一個(gè)熱激活過程,溫度升高會使熱激活過程增強(qiáng),可以立即引起回復(fù)現(xiàn)象的出現(xiàn)而不需要孕育期.在這過程中,由加工硬化造成的位錯(cuò)密度會有所下降,即金屬缺陷降低,宏觀上表現(xiàn)為流變應(yīng)力下降.金屬經(jīng)歷回復(fù)階段后進(jìn)行再結(jié)晶轉(zhuǎn)變,熱激活決定了形核和再結(jié)晶的過程.隨著溫度的升高,合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核率、晶粒長大速率均增加,促使位錯(cuò)密度急劇下降,流變應(yīng)力減小.

2.3 熱激活能與流變應(yīng)力本構(gòu)方程

(1)

在熱變形條件下,通常可以用溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子Zener-Hollomon參數(shù)Z來表示[12-13]:

Z=A[sinh(ασ)]n

(2)

當(dāng)溫度一定時(shí),變形激活能為常數(shù),對方程(1)兩邊取對數(shù)得:

(3)

在一定的溫度和應(yīng)變速率下,由式(3)對1/T求偏導(dǎo)得:

(4)

圖3 峰值應(yīng)力和應(yīng)變速率的關(guān)系Fig.3 Relationship between σ and

從圖3中計(jì)算可得α=0.017 015 mm2/N,從圖4中計(jì)算可得n=6.243.將圖4中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3),得到熱變形激活能為Q=231.510 kJ/mol.

以lnZ和ln [sinh(ασ)]作圖,如圖5(見下頁)所示.兩變量成良好的線性關(guān)系,對其進(jìn)行一元線性回歸,其線性相關(guān)系數(shù)r2=0.992 79,說明ln [sinh(ασ)]-lnZ的線性關(guān)系良好.也就是說可以用雙曲正弦模型來描述CuW30復(fù)合材料的高溫流變行為,圖中直線斜率為lnA=23.875.將以上所求參數(shù)值代入式(1),得到CuW30復(fù)合材料的高溫?zé)嶙冃瘟髯儜?yīng)力本構(gòu)方程為:

圖4 峰值應(yīng)力、應(yīng)變速率、變形溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between and T

圖5 Z參數(shù)與流變應(yīng)力的關(guān)系Fig.5 Relationship between parameter Z and peak flow stress

3 結(jié) 論

(1) CuW30復(fù)合材料的流變應(yīng)力-真應(yīng)變曲線均為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶類型.當(dāng)變形溫度一定時(shí),其流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增大,為應(yīng)變速率敏感材料;當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí),其流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小.

(2) 在650～950 ℃范圍內(nèi),CuW30復(fù)合材料的熱變形激活能為231.510 kJ/mol,流變應(yīng)力方程為:

(3) CuW30復(fù)合材料的熱加工宜在應(yīng)變速率為0.01～0.1 s-1、溫度在850～950 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行.

參考文獻(xiàn):

[1] 范志康,梁淑華,肖鵬.高壓電觸頭材料[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:32-45.

[2] 薛翔,李松,丘如亮,等.W-Cu復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2008,22(S1):294-298.

[3] 寧超.電子封裝用低膨脹高導(dǎo)熱鎢銅復(fù)合材料的工藝研究[D].上海:上海材料研究所,2004,4-18.

[4] 劉平,田保紅,趙冬梅,等.銅合金功能材料[M].北京:科學(xué)出版社,2004:44-54.

[5] Pintsuk G,Brunings S E,Doring J E,etal.Development of W/Cu-functionally graded materials[J].FusionEngineeringandDesign,2003,66-68:237-240.

[6] 范景蓮,彭石高,劉濤,等.鎢銅復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金,2006,34(3):30-36.

[7] 趙瑞龍.鎢銅復(fù)合材料的制備及熱變形行為和加工圖研究[D].洛陽:河南科技大學(xué),2011,1-5.

[8] Yutaka Hiraoka,Hideaki Hanado,Takeshi Inoue.Deformation behavior at room temperature of W-80vol% Cu composite[J].InternationalJournalofRefractoryMetals&HardMaterials,2004,22(2-3):87-93.

[9] Poirier J P.晶體的高溫塑性變形[M].關(guān)德林譯.大連:大連理工大學(xué)出版社,1989:25-30.

[10] Shen G,Semiatantin S L,Altan T.Investigation of flow stress and microstructure development in non-isothermal forging of Ti-6242[J].JMaterProcessTechnol,1993,36:303-307.

[11] Sellars C M,Mctegart W J.On the mechanism of hot deformation[J].ActaMetall,1966,14:1136-1138.

[12] Zener C,Hollomon J H.Problems in non-elastic deformation of metals[J].JApplPhys,1946,17(2):69-82.

[13] Zener C,Hollomon J H.Effect of strain-rate upon the plastic flow of steel[J].JApplPhys,1944,15(1):22.

[14] 熊創(chuàng)賢,張新明,陳健美,等.2Mg2Gd2Y2Mn耐熱鎂合金的壓縮變形行為研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2007,24(3):47-53

[15] 王蕊寧,奚正平,趙永慶,等. Zr-4 合金的熱變形和加工圖[J].稀有金屬材料與工程,2007,35(5):808-812.