CN113976885B - 一种钨铜功能梯度材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钨铜功能梯度材料的制备方法，该方法包括：一、将钨粉和诱导铜粉按照不同的质量比例混合配制得到一系列梯度钨粉质量含量的钨铜合金粉；二、装套密封后经冷等静压压制得到多层钨铜梯度材料压坯；三、将多层钨铜梯度材料压坯中钨粉含量最低的一端与铜块拼接后放进行熔渗‑焊接，得到钨铜功能梯度材料烧结坯；四、装套后经热等静压处理得到钨铜功能梯度材料。本发明通过控制钨铜合金粉的质量配比，使得钨铜梯度材料压坯中各压层中均预留孔隙且孔隙率不相同，然后与铜块拼接进行熔渗‑焊接，利用铜块熔渗依次进入各层孔隙中将不同的钨铜梯度材料连接，提高了钨铜功能梯度材料的层间结合强度以及整体强度，降低热应力并延长使用寿命。

Description

一种钨铜功能梯度材料的制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金材料制备技术领域，具体涉及一种钨铜功能梯度材料的制备方法。
背景技术
钨铜复合材料是由互不相溶的钨和铜形成的一种“假合金”，其不但具有钨的耐高温、高密度以及低线膨胀系数，同时又具有铜的高热导率和高导电系数，因此，钨铜复合材料广泛应用于电触头材料。随着现代技术发展，单纯的钨铜触头难以满足长时间在高电压、高功率下运行，为了更好地保证其使用寿命，提出了钨铜功能梯度材料。钨铜功能梯度材料的铜端导电性能优异，另外一端即钨端具有优异的热膨胀系数，通过不同铜含量的分布逐层降低热应力，可以保证其在高电压、高功率下长时间运行，具有重要的工程应用价值。
目前，传统的钨铜触头材料制备方法仅通过简单的熔渗将钨铜复合材料和铜连接，依靠铜相作用将单层钨铜复合材料和铜连接，其强度较低。此外，烧结过程中，液态铜只能通过毛细管力进入钨骨架，不能完全填充满钨骨架，致密度低，并且只有单层钨铜复合材料与铜相连接，不能有效地缓和热应力，从而降低了材料使用寿命。关于钨铜功能梯度材料的制备研究还鲜见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种钨铜功能梯度材料的制备方法。该方法通过控制钨铜合金粉的质量配比，使得钨铜梯度材料压坯中各压层中均预留相应的孔隙且孔隙率不相同，然后与铜块拼接进行熔渗-焊接，利用铜块熔渗依次进入各层孔隙中将不同的钨铜梯度材料连接，大大提高了钨铜功能梯度材料的层间结合强度以及整体强度，降低热应力并延长使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将钨粉和诱导铜粉按照不同的质量比例混合，配制得到一系列梯度钨粉质量含量的钨铜合金粉；
步骤二、将步骤一中配制的一系列梯度钨粉质量含量的钨铜合金粉按照钨粉质量含量递增的规律依次分层装入胶套中并密封，然后放入冷等静压机中进行冷等静压压制，得到多层钨铜梯度材料压坯；
步骤三、将步骤二中得到的多层钨铜梯度材料压坯中钨粉含量最低的一端与铜块拼接，然后放入真空炉中进行熔渗-焊接，得到钨铜功能梯度材料烧结坯；
步骤四、将步骤三中得到的钨铜功能梯度材料烧结坯装入包套中，然后放入热等静压机中进行热等静压处理，得到钨铜功能梯度材料。
本发明先配制一系列梯度钨粉质量含量的钨铜合金粉，然后按照钨粉质量含量递增的规律装套进行冷等静压压制，得到多层钨铜梯度材料压坯，通常层数为3层以上，通过控制各层采用的钨铜合金粉中钨粉与铜粉的配比不同，控制多层钨铜梯度材料压坯的各层中均预留相应的孔隙，且各层的孔隙率按照钨粉质量含量递增的规律逐渐降低，然后将多层钨铜梯度材料压坯中钨粉含量最低的一端即孔隙率最大的一端与铜块拼接后放入真空炉中进行熔渗-焊接，使得铜块熔化后形成铜熔液沿着大孔隙至小孔隙的顺序，依次渗入多层钨铜梯度材料压坯的各层孔隙中并形成整体连接的铜相，从而通过铜相将不同层的钨铜梯度材料连接，且具有较高的结合强度，大大提高了钨铜功能梯度材料的层间结合强度，同时，保证了铜的质量含量呈梯度变化以逐层降低热应力，延长了钨铜功能梯度材料的使用寿命；再采用热等静压处理对多层钨铜功能梯度材料烧结坯进行整形修复，有效地修复了熔渗-焊接过程中铜块端产生的缩孔，避免了后期对铜块端进行去除加工，节约了铜材料，进一步提高了钨铜功能梯度材料的层间结合强度，进而提高钨铜功能梯度材料的整体强度。
上述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述钨粉的粒径为4μm～12μm，诱导铜粉的粒径为3μm～9μm，所述钨粉和诱导铜粉混合的质量比例分别为85:15、90:10和95:5，所述混合的时间为2h～3h。本发明通过优选钨粉和诱导铜粉的粒径，以及两者的混合质量配比，以有效控制多层钨铜梯度材料压坯中各层的孔隙率，且孔隙率按照钨粉质量含量递增的规律逐渐降低，即保证了铜的质量含量呈梯度变化，从而逐层降低了热应力，进一步保证钨铜功能梯度材料的使用寿命。
上述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述一系列梯度钨粉质量含量的钨铜合金粉装入胶套的过程中，每加入一层钨铜合金粉后采用刮粉器刮平压实。通过在每加入一层钨铜合金粉后均采用刮粉器刮平压实，避免了钨铜合金粉层的表面出现不平整现象，进而避免了影响后期钨铜功能梯度材料中各层的结合强度。
上述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述冷等静压压制的压力为160MPa～240MPa，保压时间为180s。本发明通过采用冷等静压压制对装套粉末进行全方面施压，使得粉末均匀受力，结合控制压制的压力和保压时间，提高了压制成型的钨骨架的均匀性和相对密度。
上述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述多层钨铜梯度材料压坯中钨粉含量最低的一端经处理干净后再与铜块拼接。本发明先将多层钨铜梯度材料压坯的一端即待拼接端处理干净，以避免杂质存在影响与铜的结合强度。
上述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述熔渗-焊接的温度为1200℃～1400℃，保温时间为2h。本发明通过控制熔渗-焊接的温度，使得钨与铜均呈现较好的润湿性，从而铜相可以充分、均匀地填充到钨骨架中，形成均匀的整体，增强了铜相与钨铜梯度材料的结合强度，提高钨铜功能梯度材料的密度。
上述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所述热等静压处理的温度为500℃～700℃，压力为120MPa～160MPa，保压时间为2h。该优选的热等静压处理的温度和压力、保压时间不仅提高了对多层钨铜功能梯度材料中铜块端的整形修复效果，同时进一步提高了多层钨铜功能梯度材料的连接强度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过控制钨铜合金粉的质量配比不同，使得钨铜梯度材料压坯中各压层中均预留相应的孔隙且孔隙率不相同，然后与铜块拼接进行熔渗-焊接，利用铜块熔渗依次进入各层孔隙中将不同的钨铜梯度材料连接，大大提高了钨铜功能梯度材料的层间结合强度以及整体强度，且钨铜功能梯度材料的组织均匀，致密度较高。
2、本发明将熔渗与焊接工艺结合同步进行，既保证了钨铜功能梯度材料中各层的结合强度，又降低了生产成本。
3、本发明采用热等静压处理对多层钨铜功能梯度材料烧结坯进行整形修复，有效地修复了熔渗-焊接过程中铜块端产生的缩孔，避免了后期对铜块端进行去除加工，节约了铜材料，进一步提高了钨铜功能梯度材料的层间结合强度。
4、本发明采用的原料容易获得，采用的设备均为钨钼材料加工中常用的设备，降低了本发明的制备难度，提高了本发明方法的实用性。
5、本发明的制备方法简单且适用范围广，材料的成品率高，适宜批量化工业生产。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将粒径为4μm的钨粉和粒径为3μm的诱导铜粉分别按照85:15、90:10和95:5的质量比例混合，混合的时间为2h～3h，分别配制得到钨铜合金粉1、钨铜合金粉2和钨铜合金粉3；
步骤二、将步骤一中配制的钨铜合金粉1装入胶套中并采用刮粉器刮平压实，随后装入钨铜合金粉2并采用刮粉器刮平压实，再加入钨铜合金粉3并采用刮粉器刮平压实，将胶套密封，然后放入冷等静压机中进行冷等静压压制，得到三层钨铜梯度材料压坯；所述冷等静压压制的压力为160MPa，保压时间为180s；
步骤三、将步骤二中得到的三层钨铜梯度材料压坯中钨粉含量最低的一端经处理干净后与铜块拼接，然后放入真空炉中进行熔渗-焊接，得到四层钨铜功能梯度材料烧结坯；所述熔渗-焊接的温度为1200℃，保温时间为2h；
步骤四、将步骤三中得到的四层钨铜功能梯度材料烧结坯装入包套中，然后放入热等静压机中进行热等静压处理，得到钨铜功能梯度材料；所述热等静压处理的温度为500℃，压力为120MPa，保压时间为2h。
经检测，本实施例得到的钨铜功能梯度材料的铜端与钨铜梯度材料的结合强度可达253MPa，远大于现有技术中钨铜功能梯度材料的铜端与钨铜梯度材料的结合强度200MPa，说明本发明的制备方法大大提高了钨铜功能梯度材料的层间结合强度。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将粒径为8μm的钨粉和粒径为6μm的诱导铜粉分别按照85:15、90:10和95:5的质量比例混合，混合的时间为2h～3h，分别配制得到钨铜合金粉1、钨铜合金粉2和钨铜合金粉3；
步骤二、将步骤一中配制的钨铜合金粉1装入胶套中并采用刮粉器刮平压实，随后装入钨铜合金粉2并采用刮粉器刮平压实，再加入钨铜合金粉3并采用刮粉器刮平压实，将胶套密封，然后放入冷等静压机中进行冷等静压压制，得到三层钨铜梯度材料压坯；所述冷等静压压制的压力为200MPa，保压时间为180s；
步骤三、将步骤二中得到的三层钨铜梯度材料压坯中钨粉含量最低的一端经处理干净后与铜块拼接，然后放入真空炉中进行熔渗-焊接，得到四层钨铜功能梯度材料烧结坯；所述熔渗-焊接的温度为1300℃，保温时间为2h；
步骤四、将步骤三中得到的四层钨铜功能梯度材料烧结坯装入包套中，然后放入热等静压机中进行热等静压处理，得到钨铜功能梯度材料；所述热等静压处理的温度为600℃，压力为140MPa，保压时间为2h。
经检测，本实施例得到的钨铜功能梯度材料的铜端与钨铜梯度材料的结合强度可达260MPa，远大于现有技术中钨铜功能梯度材料的铜端与钨铜梯度材料的结合强度200MPa，说明本发明的制备方法大大提高了钨铜功能梯度材料的层间结合强度。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将粒径为12μm的钨粉和粒径为9μm的诱导铜粉分别按照85:15、90:10和95:5的质量比例混合，混合的时间为2h～3h，分别配制得到钨铜合金粉1、钨铜合金粉2和钨铜合金粉3；
步骤二、将步骤一中配制的钨铜合金粉1装入胶套中并采用刮粉器刮平压实，随后装入钨铜合金粉2并采用刮粉器刮平压实，再加入钨铜合金粉3并采用刮粉器刮平压实，将胶套密封，然后放入冷等静压机中进行冷等静压压制，得到三层钨铜梯度材料压坯；所述冷等静压压制的压力为240MPa，保压时间为180s；
步骤三、将步骤二中得到的三层钨铜梯度材料压坯中钨粉含量最低的一端经处理干净后与铜块拼接，然后放入真空炉中进行熔渗-焊接，得到四层钨铜功能梯度材料烧结坯；所述熔渗-焊接的温度为1400℃，保温时间为2h；
步骤四、将步骤三中得到的四层钨铜功能梯度材料烧结坯装入包套中，然后放入热等静压机中进行热等静压处理，得到钨铜功能梯度材料；所述热等静压处理的温度为700℃，压力为160MPa，保压时间为2h。
经检测，本实施例得到的钨铜功能梯度材料的铜端与钨铜梯度材料的结合强度可达264MPa，远大于现有技术中钨铜功能梯度材料的铜端与钨铜梯度材料的结合强度200MPa，说明本发明的制备方法大大提高了钨铜功能梯度材料的层间结合强度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将钨粉和诱导铜粉按照不同的质量比例混合，配制得到一系列梯度钨粉质量含量的钨铜合金粉；所述钨粉的粒径为4μm~12μm，诱导铜粉的粒径为3μm~9μm，所述钨粉和诱导铜粉混合的质量比例分别为85:15、90:10和95:5；
步骤二、将步骤一中配制的一系列梯度钨粉质量含量的钨铜合金粉按照钨粉质量含量递增的规律依次分层装入胶套中并密封，然后放入冷等静压机中进行冷等静压压制，得到多层钨铜梯度材料压坯；
步骤三、将步骤二中得到的多层钨铜梯度材料压坯中钨粉含量最低的一端与铜块拼接，然后放入真空炉中进行熔渗-焊接，得到钨铜功能梯度材料烧结坯；
步骤四、将步骤三中得到的钨铜功能梯度材料烧结坯装入包套中，然后放入热等静压机中进行热等静压处理，得到钨铜功能梯度材料。
2.根据权利要求1所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述混合的时间为2h~3h。
3.根据权利要求1所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述一系列梯度钨粉质量含量的钨铜合金粉装入胶套的过程中，每加入一层钨铜合金粉后采用刮粉器刮平压实。
4.根据权利要求1所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述冷等静压压制的压力为160MPa~240MPa，保压时间为180s。
5.根据权利要求1所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述多层钨铜梯度材料压坯中钨粉含量最低的一端经处理干净后再与铜块拼接。
6.根据权利要求1所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述熔渗-焊接的温度为1200℃~1400℃，保温时间为2h。
7.根据权利要求1所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所述热等静压处理的温度为500℃~700℃，压力为120MPa~160MPa，保压时间为2h。
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