鎢鉬滲銅材料力學性能及金相組織研究

吳 偉

(金堆城鉬業股份有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

高溫用鎢(鉬)滲銅材料是一種互不相溶的特殊型復合材料，這一復合材料主要由導熱、導電性能良好的銅、高強度及高熔點的鎢(鉬)組成。該類材料具有抗燒蝕、強度高及耐高溫等特性，目前已廣泛應用于我國軍工及航空航天工業領域。基于這一復合材料的高溫性能優勢和抗燒蝕性特征，可將其用于耐燒蝕部件生產、制造過程中，如喉襯和燃氣舵等部件[1]。雖然鉬滲銅材料可減輕相關零部件的重量，但其在高溫環境下的抗燒蝕性與耐高溫性差。因此，其只能用于連接板、配重裝置及空氣舵等部件的生產制作，這類零部件的的共同生產特征是生產環境溫度低。

1 拉伸試驗

1.1 試驗設計

本試驗采用的材料制備原料為中顆粒鉬粉和鎢粉。其中，中顆粒鉬粉的費氏粒度為5.0 μm ,中顆粒鎢粉的費氏粒度則為6.64 μm，詳細制備工藝流程見圖1[2]。

圖1 鎢鉬滲銅材料制備工藝流程示意圖

在實際制備操作過程中：

(1)首先需按一定比例標準，對中顆粒鉬粉和鎢粉兩種粉末原料進行混合處理，然后經過冷卻靜壓成型。

(2)與此同時，需要采用高溫燒結技術工藝，制作鎢鉬骨架。

(3)最后需要在滲銅爐中，將金屬銅熔滲到已制作好的鎢鉬骨架中。

(4)除了上述工藝步驟外，所有試驗材料都需要全面經過超聲波探傷檢測技術對制備好的鎢鉬滲銅材料結構的內部孔洞、裂紋和不均勻、雜質等情況進行檢測，若經全面質量檢測無明顯性能、質量缺陷，則可進入下一制備生產工藝。

1.2 試驗流程

在材料力學性能試驗過程中，本研究著重考慮鎢鉬滲銅材料的骨架密度與質量配比。

(1)將質量分數比例分別為15%、35%、55%的Mo粉加入W中，然后進一步分析Mo粉含量變化，對鎢鉬滲銅材料綜合力學性能及外環金相組織結構產生的影響。

(2)針對這一試驗，相關研究表明，大部分高溫用鎢鉬滲銅材料的骨架密度均保持在80%左右[3]。所以，按照這一研究結論，本研究在試驗設計過程中，分別將該試驗材料的骨架密度設置為79%、80%和83%，據此研究分析Mo含量增加變化對高溫用鎢鉬滲銅材料力學性能及金相組織產生的影響。

(3)密度為79%和83%的骨架主要用于抗熱震性能和高溫抗燒蝕材料的制備。在試驗優化過程中，通過相同的滲銅工藝，保持等靜壓成形壓力，不斷對燒結工藝進行調整，以滿足鎢鉬滲銅材料的力學性能測試要求。

2 室溫拉伸試驗結果

2.1 力學性能測試

按照上述試驗分析過程，本研究在INST RON-20拉伸試驗機中，對制備好的鎢鉬滲銅材料進行力學性能室溫拉伸試驗測試，采用的參照技術標準為《金屬材料室溫拉伸試驗方法》(GB/ T228-2002)；將拉伸速度設定2 mm/min，然后對規格為φ12 mm×65 mm的鎢鉬滲銅材料進行力學性能室溫拉伸試驗測試。

在室溫試驗基礎上，本研究還基于《喉襯用鎢滲銅制品規范》(GJB 2299A-2005)，分別在800 ℃與1 200 ℃的高溫環境下，對制備好的φ10 mm×60 mm鎢鉬滲銅材料進行力學性能測試。此次測試采用的設備為電子萬能試驗機(型號為CSS-4450)，試驗環境參數條件為：(1)鎢鉬滲銅材料力學性能測試的升溫速度為36 ℃/min；(2)高溫拉伸試驗速度為1.6 mm/min；(3)保溫時間約為6 min；(4)高溫拉伸試驗的氣氛為10～3 Pa的高真空環境。

表1所示數據為室溫與高溫試驗環境下，鎢鉬滲銅材料的力學性能測試結果。

表1 室溫與高溫試驗環境下鎢鉬滲銅材料的力學性能測試結果統計

通過表1不同溫度條件下，鎢鉬滲銅材料的力學性能測試結果對比可以看出：(1)在室溫與高溫兩種試驗環境下，鎢鉬滲銅材料均具有良好的性能強度。其中，在室溫環境下，骨架密度為83%的鎢鉬滲銅材料其抗拉強度溫度變化范圍在476～712 ℃之間；(2)在800 ℃的試驗環境下，其抗拉強度變化范圍在250～320 ℃之間；(3)在1 200 ℃的條件下，其抗拉力學性能溫度值可保持在95～175 ℃之間；(4)在80%的骨架密度設計值下，鎢鉬滲銅材料的室溫抗拉強度值為480～700 ℃。

由此可以看出，當鎢鉬滲銅材料的骨架設計密度值處于同一水平值時，鉬銅材料和鎢銅材料的力學性能并不相同。但是，隨著Mo含量不斷增加，鎢鉬銅材料的抗拉性能在降低。因此，通過表1中參數對比，即可清晰看出不同試驗條件下，鎢鉬滲銅材料的力學性能測試結果變化趨勢。

2.2 金相組織觀察

在上述試驗分析基礎上，本研究通過對高溫用鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口形貌進行金相組織觀察分析，展示了如下幾組不同的金相組織示意圖：

圖2 室溫條件下鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口形貌

圖3 高溫(800 ℃)條件下鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口形貌

圖4 高溫(1 200 ℃)條件下鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口形貌

通過對不同試驗條件下鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口金相組織結構示意圖進行觀察、對比后發現，所有鎢鉬滲銅材料的拉伸斷口處均存在類似于河流花樣的解理斷裂。當試驗骨架密度與溫度條件相近時，隨著Mo含量不斷增多，鎢鉬滲銅材料沿晶斷口比例也在不斷增加；同時，其晶粒尺寸卻在減小，解理斷裂也在減少。對于配比成分相同的鎢鉬滲銅材料而言，其骨架設計密度參數值越大，解理斷裂和晶粒尺寸均會不斷增大。在試驗過程中，隨著鎢鉬滲銅材料拉伸試驗溫度不斷增加，其斷口顆粒間的邊界逐漸變得模糊，由此其外形結構會產生變形。

3 結 語

本文通過拉伸試驗方法，對高溫用鎢(鉬)滲銅材料進行了力學性能分析及金相組織觀察研究。綜上試驗分析結果可知，通過適當增加Mo的含量，可強化鎢鉬滲銅材料的力學性能。Mo含量越高，鎢鉬滲銅材料拉伸斷口晶粒尺寸越小，同時，其解理斷裂也就越少。所以，試驗表明，高溫用鎢鉬滲銅材料不僅能夠用于特殊材料生產制造工藝中，而且還可結合此種復合材料性能要求，對其鎢鉬成分配比試驗參數進行適當調整，從而為材料生產制備提供了科學的性能分析依據。

參考文獻

[1] 李明林,萬亞玲,胡建玥,等.單層二硫化鉬力學性能溫度和手性效應的分子動力學模擬[J].物理學報,2016,65(17):307-315.

[2] 尹學煒,徐偉力,姚 杰,等.高熱導率熱沖壓模具材料HTCS-130性能的研究[J].材料科學與工藝,2014,22(1):61-67.

[3] 溫亞輝,李長亮,張 清,等.粉末粒度對鎢鉬雙金屬性能影響[J].稀有金屬,2016,40(11):1188-1192.