CN111250720A - 一种制备钨铜复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备钨铜复合材料的方法，该方法包括如下步骤：(1)双喷头等离子体雾化沉积：将纯钨锭与纯铜锭分别作为两个阳极，用氩气作为等离子体气源，采用不同的加热功率对钨锭和铜锭进行加热熔化，再采用不同的等离子体气压来对熔体雾化；(2)热压：将雾化沉积得到的钨铜复合材料坯锭进行热压处理。本发明采用等离子体分别加热熔化并雾化纯铜与纯钨，再经雾化沉积制得不同W含量的钨铜复合材料，沉积坯锭经热压炉在1080℃热压以提高复合材料的致密度；本发明能够制得高致密度、组织均匀的大尺寸钨铜材料，不仅能够确保钨铜材两相的混合均匀性，而且还能够通过控制两种金属铸锭的熔化量来控制复合材料中两相的体积分数。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体地，涉及一种制备钨铜复合材料的方法。
背景技术
钨铜复合材料由于热膨胀系数小，导热性能良好，因此被用于高端电子封装器件中，此外，钨铜复合材料由于耐烧蚀且导电性能好，所以还广泛用于电焊电极上。传统的制备钨铜复合材料的方法主要是熔渗法，将钨粉热压为坯锭后，将熔融铜加压或不加压渗入钨坯中，制得钨铜复合材料坯锭。这种方法得到的材料组织不是很均匀，实际熔渗过程中常发生钨颗粒的团聚，而且通过这种方法不能够精准调控复合材料中钨和铜各自的体积分数，来满足不同的使用需求。
例如专利号为CN201410438059.9的中国发明专利公开了一种熔渗烧结钨铜复合材料表面覆铜的方法，包括如下步骤：步骤一，配制钨粉与铜粉的混合料，将钨粉和铜粉进行混合，得到的混合料中，以重量百分比计，其中钨粉的含量为65-85％，铜粉的含量为15-35％；步骤二，制备钨骨架压坯，将步骤一制得的混合料加入成形剂经喷雾干燥制粒后，在模具中压制成形，压制压力150～400MPa，得到钨骨架压坯；步骤三，制备烧结熔渗剂，将无氧铜冲压成铜排作为烧结熔渗剂；步骤四，烧结，将烧结熔渗剂叠放在钨骨架压坯上面后放入石墨模具中，然后在真空炉中进行烧结，得到钨铜复合材料，该钨铜复合材料由钨铜合金层和铜层构成，铜层覆盖在钨铜合金的表面上。
发明内容
本发明提供了一种制备钨铜复合材料的方法，其主要工艺是通过等离子枪双喷头来分别熔化并雾化钨锭与铜锭，然后将两种金属熔滴共沉积到一起，形成钨铜复合材料，通过这种方法，不仅能够确保两相的混合均匀性，而且还能够通过控制两种金属铸锭的熔化量来控制复合材料中两相的体积分数。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种制备钨铜复合材料的方法，通过利用雾化沉积这种具有良好混合能力的方法，来实现钨铜两相的均匀混合，从而制备不同相含量的钨铜复合材料，工艺流程包括：双喷头等离子体雾化沉积、热压。
双喷头等离子体雾化沉积方法的具体步骤为：将纯钨锭与纯铜锭分别作为两个阳极，然后用氩气作为等离子体气源，在雾化沉积炉的熔炼室中用两支等离子体喷枪采用不同的加热功率对钨锭和铜锭进行加热熔化，由于两种金属熔点相差甚远，所以采用不同的功率对它们进行加热熔化，加热熔化钨锭的等离子枪功率约5-10kw，加热铜锭的等离子枪功率约1-3kw，两种金属熔化后形成的熔体同时被高压等离子气体所破碎并飞散成熔滴，由于两种金属的密度也相差很大，所以采用不同的等离子体气压来对熔体雾化，铜的雾化气压为0.5-1MPa，钨的雾化气压为3-5MPa，通过雾化形成的两种飞散的熔滴在下落过程中被雾化沉积室内的沉积盘同时收集，并在沉积盘上发生冷却，从而形成钨与铜相互掺杂的复合材料。沉积过程中，钨首先发生凝固，铜沉积后由于受到钨的加热而暂时保持液态，这使得铜液有充足的时间利用毛细作用填充钨颗粒之间的空隙，这不仅显著提高了坯锭的致密度，而且同时实现了两种物相进一步的均匀混合。由于钨颗粒堆积形成了骨架结构，从而保证了坯锭在铜液凝固前不发生垮塌，这样就可制备出形状完整的大尺寸钨铜复合材料坯锭。
在雾化过程中，所采用的纯钨锭和纯铜锭都是直径为9-11mm的杆材，这样方便采用等离子枪从其端部对其进行熔化，熔化过程中，通过调整两个等离子枪的加热功率，可以调整两种金属的相对熔化量，从而实现调整钨铜复合材料坯锭中两相的体积分数。
热压的具体步骤为：将雾化沉积得到的钨铜坯锭在1080℃进行热压，1080℃是铜刚好不熔化但同时能够超塑性变形的温度，此温度下钨也有一定的变形能力，热压压力50MPa，热压时间1h，在热压期间钨颗粒不断发生蠕变，而铜则跟随钨颗粒变形以填补其周围可能产生的空隙和坯锭沉积过程中产生的空隙，最终制得致密度>99％，组织均匀且钨颗粒体积分数可控的钨铜复合材料。
本发明的有益效果：
1、本发明通过利用雾化沉积这种方法来实现钨与铜两相的均匀混合，该方法能够防止钨颗粒发生显著团聚，从而提高钨铜复合材料的气密性、导电导热性能。
2、本发明通过分别控制对钨与铜加热的等离子枪的加热功率，能够任意控制钨铜复合材料中两相体积分数，且控制效果重复性好，两相混合非常均匀，这是粉末冶金熔渗法法所不具备的。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明对比例1和实施例1制得的钨铜复合材料的金相图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
W-30Cu复合材料的制备
工艺流程包括：双头等离子体雾化沉积、热压。
双头等离子体雾化沉积具体步骤：将纯钨锭与纯铜锭分别作为两个阳极，然后用氩气作为等离子体气源，在雾化沉积炉的熔炼室中用两支等离子体喷枪采用不同的功率对钨锭和铜锭进行加热熔化，加热熔化钨锭的等离子枪功率约8kw，加热铜锭的等离子枪功率约2kw。采用不同的等离子体气压来雾化钨熔体与铜熔体，铜的雾化气压0.5MPa，钨的雾化气压3MPa，两种金属熔化后时被高压等离子气体所破碎并飞散成熔滴，熔滴在下落过程中同被雾化沉积室内的沉积盘收集，并在直径为200mm的沉积盘上发生冷却，从而形成钨与铜相互掺杂的圆坯锭复合材料，其中铜的体积分数约30％。
在雾化过程中，所采用的钨锭和铜锭都是直径为10mm的杆材，这样方便采用等离子枪从其端部对其进行熔化。
热压具体步骤：将雾化沉积得到的钨铜坯锭在1080℃进行热压，热压压力50MPa，热压时间1h，最终制得致密度>99％，组织均匀且钨颗粒体积分数为70％的钨铜复合材料。
实施例2
W-50Cu复合材料的制备
工艺流程包括：双头等离子体雾化沉积、热压。
双头等离子体雾化沉积具体步骤：将纯钨锭与纯铜锭分别作为两个阳极，然后用氩气作为等离子体气源，在雾化沉积炉的熔炼室中用两支等离子体喷枪采用不同的功率对钨锭和铜锭进行加热熔化，加热熔化钨锭的等离子枪功率约7kw，加热铜锭的等离子枪功率约3kw。采用不同的等离子体气压来雾化钨熔体与铜熔体，铜的雾化气压1MPa，钨的雾化气压5MPa，两种金属熔化后时被高压等离子气体所破碎并飞散成熔滴，熔滴在下落过程中同被雾化沉积室内的沉积盘收集，并在直径为200mm的沉积盘上发生冷却，从而形成钨与铜相互掺杂的圆坯锭复合材料，其中铜的体积分数约30％。
在雾化过程中，所采用的钨锭和铜锭都是直径为10mm的杆材，这样方便采用等离子枪从其端部对其进行熔化。
热压具体步骤：将雾化沉积得到的钨铜坯锭在1080℃进行热压，热压压力50MPa，热压时间1h，最终制得致密度>99％，组织均匀且钨颗粒体积分数为50％的钨铜复合材料。
对比例
采用传统的粉末冶金法制备的钨铜复合材料。
如图1所示，为对比例1和实施例1制得的钨铜复合材料的金相图，其中，图1中(a)为对比例制得的钨铜复合材料的金相图，可见，对比例1制备的坯锭中存在孔隙，经测定该材料的致密度约97％；图1中(b)为实施例1制得的钨铜复合材料的金相图，可见，实施例1所制备的W-Cu复合材料中不存在孔隙，经测定实施例1制得的坯锭致密度为99.5％。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种制备钨铜复合材料的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)双喷头等离子体雾化沉积：将纯钨锭与纯铜锭分别作为两个阳极，然后用氩气作为等离子体气源，在雾化沉积炉的熔炼室中用两支等离子体喷枪采用不同的加热功率对钨锭和铜锭进行加热熔化，再采用不同的等离子体气压来对熔体雾化，通过雾化形成的两种飞散的熔滴在下落过程中被雾化沉积室内的沉积盘同时收集，并在沉积盘上发生冷却，形成钨与铜相互掺杂的钨铜复合材料坯锭；
(2)热压：将雾化沉积得到的钨铜复合材料坯锭进行热压处理，制得钨铜复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备钨铜复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)中用两支等离子体喷枪采用不同的加热功率对钨锭和铜锭进行加热熔化，加热熔化钨锭的等离子枪功率为5-10kw，加热铜锭的等离子枪功率为1-3kw。
3.根据权利要求1所述的一种制备钨铜复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)中采用不同的等离子体气压来对熔体雾化，熔体铜的雾化气压为0.5-1MPa，熔体钨的雾化气压为3-5MPa。
4.根据权利要求1所述的一种制备钨铜复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)所采用的纯钨锭和纯铜锭都是直径为9-11mm的杆材。
5.根据权利要求1所述的一种制备钨铜复合材料的方法，其特征在于，步骤(2)热压的具体参数为：在1080℃下进行热压，热压压力50MPa，热压时间1h。
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