CN117802378A - 一种具有多尺度结构的钨铜复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有多尺度结构的钨铜复合材料及其制备方法，属于铜基复合材料技术领域。本发明通过对钨铁合金中的钨含量进行调控，然后采用熔融态铜对钨铁合金进行去合金化处理，去除铁元素而得到细小的钨相，与未合金化且尺寸粗大的钨相形成多尺度结构，制备出具有多尺度结构的增强相钨均匀分布在网络状铜基体中的钨铜复合材料。本发明制备的高钨含量的钨铜复合材料，具有高强度、高硬度、低热膨胀系数等优异特点，同时具有良好的导电性、耐磨性和抗电弧侵蚀能力。该材料在电接触材料、电极材料及电子封装材料等方面，具有很大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于铜基复合材料技术领域，特别是涉及一种具有多尺度结构的钨铜复合材料及其制备方法。
背景技术
液态金属去合金化是金属体系中的一种腐蚀过程，其过程是一种基于合金各组分的不同溶解度蚀刻到液态金属中的方法，即液态金属选择性溶解合金中的一种或多种成分，可为制备亚微米和纳米结构复合材料提供策略，并已被广泛用于冶金和结构材料。
钨铜（WCu）复合材料是由几乎不互溶的钨和铜所组成的典型双金属材料，兼具钨和铜的性能优点，如高强度和硬度、优异的耐磨性、低的膨胀系数和良好的导电导热性等特点，而高钨含量可大大提高材料的抗辐射屏蔽性、抗电弧侵蚀性和耐高温性，因而被广泛用于高压开关、高温散热器材料、阻焊电极和电子封装的真空触头等方面。
钨铁（WFe）合金则是由部分互溶的钨和铁所组成的合金，常用作炼钢的合金添加剂，可抑制碳的沉淀从而获得高质量的钢材。从二元合金相图可以得知，铜与钨不互溶，但铜与铁可完全互溶。除此之外，由于铜（熔化温度1083℃）与钨（熔化温度3422℃）、铁（熔化温度1538℃）的熔化温度差很大。因此，通过液态金属铜对钨铁合金进行去合金化处理，选择性去除铁元素，可得到多尺度结构（微米和微纳米尺度）钨增强的铜基复合材料，其中多尺度结构钨是去除钨铁合金中的铁而得到细小的钨相与未合金化且尺寸粗大的钨相所形成。在微观组织上，多尺度结构钨均匀分布于网络状的铜基体；其中，网络状可保持铜的连续性，利于电子传输，提高材料导电率；并且相较于液态铜渗透钨骨架、溅射沉积和粉末冶金等工艺难以制备出钨质量分数超过90%的均质钨铜复合材料。此外，多尺度结构钨晶粒之间的协调变形和应变分配能够促进加工硬化，提高材料的硬度和强度。
在此，关于以W为增强相的铜基复合材料的相关技术，主要如下：
（1）专利CN102162055A公开高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，记载的技术方案主要是：将适量的钨粉先预烧成钨骨架，然后用高温熔渗烧结方法在钨骨架内熔渗铜并烧结成型，从而获得高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料。
（2）专利CN103589884A公开一种高性能钨铜复合材料的低温制备方法，其记载的技术方案主要是：根据所需制备的钨铜复合材料的钨铜组分比例，称量对应质量的铜包覆钨复合粉体和铜粉进行混料得到混合粉体，或直接用对应组分的铜包覆钨粉为烧结原料，将混合粉体或对应组分的铜包覆钨复合粉体装入模具中进行低温热压烧结，即得到高性能的钨铜复合材料。
（3）专利CN114086013A公开一种高强高导的超细晶钨铜复合材料及制备方法，其记载的技术方案主要是：以硫酸铜、联吡啶、乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)、氢氧化钠、乙醇为原料配制成化学镀液；将超细晶钨粉放入镀液中，水浴加热到指定温度，加入甲醛施镀，同时维持pH稳定，获得的复合粉末，在氢气氛围下还原，装入模具中利用放电等离子烧结设备进行高温短时烧结，可得到钨铜复合材料块体。
（4）专利CN113584337A公开一种低铜含量钨铜复合材料的制备方法及产品，其记载的技术方案主要是：将钨粉与铜盐溶液进行混合，加入分散剂搅拌均匀并将其蒸发结晶，得到铜盐与钨粉混合均匀的粉末；对粉末进行煅烧、还原，得到钨与铜粉混合均匀的混合粉末；对混合粉末进行冷压、烧结，获得钨铜复合材料。
以上为四种制备钨铜复合材料的技术，主要是粉末冶金和铜液浸渗骨架的工艺，所述技术中是对原料粉进行包覆、化学镀或还原反应制备钨铜复合粉末，再经过冷压和热压烧结制备钨铜复合材料；其次是预制钨骨架再经过铜液熔渗，得到钨铜复合材料。
综上，针对关于制备高钨含量的钨铜复合材料，现有技术至少存在如下问题：
（1）在组元占比上，当钨的质量分数高于80%，铜的含量低，包覆、化学镀或还原反应制备的铜钨复合粉末，铜的包覆和镀层会出现不均匀性，导致在烧结过程中，增大钨与钨的连接性，影响铜的连续性，导致电导率下降；其次，预制钨骨架浸渗铜液工艺中，钨骨架的孔隙率受限且易形成封闭孔，导致铜液无法浸渗完全填充钨骨架。
（2）在组织结构上，现有技术制备的钨铜复合材料，微观结构上表现出均质结构，弥散强化则是现有钨铜复合材料的主要强化机制，而多尺度结构钨晶粒中的细小颗粒起细晶强化的作用；其次，具有多尺度结构钨晶粒之间的协调变形和应变分配能够促进加工硬化，以提高材料的硬度和强度；最后，网络状的铜基体保持铜的连续性，在同等钨含量的情况下，多尺度结构的钨铜复合材料具有较高导电率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有多尺度结构的钨铜复合材料及其制备方法，主要目的在于提供一种可调控高钨含量的钨铜复合材料。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
本发明提供一种具有多尺度结构的钨铜复合材料，其中，所述钨铜复合材料是由基体相铜和增强相钨组成；在钨铜复合材料中：基体相铜为网络状，增强相钨具有多尺度结构，且在网络状铜基体中均匀分布；其中，多尺度结构钨是采用熔融态铜对钨铁合金进行去合金化处理，去除铁元素而得到细小的钨相与未合金化、尺寸粗大的钨相所形成。
在所述钨铜复合材料中：增强相钨的质量分数为60%~98%，优选65%~95%，其余为铜。
所述钨铜复合材料的抗压强度为900 MPa ~1350 MPa，硬度为2.5 GPa~3.5 GPa，电导率为9 MS/m ~30 MS/m。
另一方面，本发明提供了上述的钨铜复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
步骤1. 熔炼钨铁合金：将原料按照比例放入真空熔炼炉中，然后在保护气氛或真空条件下，进行熔炼处理，得到钨铁合金；其中，所述原料包括钨铁合金、金属钨和铁中的两种及以上组合；
步骤2. 高温去合金化：将铜块、熔炼得到的钨铁合金或未熔炼的钨铁合金放置于石墨坩埚中，在保护气氛或真空条件下，进行高温去合金化处理，得到钨铜复合材料；其中，所述高温去合金化温度高于铜的熔点。
所述步骤1中，原料中钨铁合金、金属钨和金属铁的形态为粉体或块体；其中，原料钨铁合金中钨的质量分数为70%~80%；整个制备过程中，钨的存在形式是合金化和未合金化的单相钨。
所述熔炼钨铁合金时，熔炼的电流为450 A ~550 A，熔炼时间为30 s ~60 s。
所述熔炼处理，在熔炼之后还包括重熔步骤；其中，重熔翻转次数为至少2次；根据所添加的钨、铁占比，通过调控工艺参数和增加重熔次数，提高各相分布均匀性。
所述熔炼是为了得到钨含量可调控的钨铁合金，可以按所需比例，对钨铁合金、金属钨和金属铁进行称量，使熔炼得到的钨铁合金中钨的质量分数在60%~98%范围可调控。
优选的，熔炼得到的钨铁合金中钨的质量分数为65%~95%。
优选的，所述步骤2中，在所述高温去合金化步骤中：采用程序升温至1100℃~1500℃；其中，在1000℃以下，升温速率为1℃/min ~10℃/min，为节约时间和保护设备，优选5℃/min ~8℃/min；在1000℃~1500℃范围内，调节升温速率1℃/min ~5℃/min，优选2℃/min ~3℃/min；去合金化时间不低于0.5h，去合金化次数不低于1次，使钨铜复合材料中的铁含量不高于2%。
与现有技术相比，本发明的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料及其制备方法，至少具有下列有益效果：
本发明提供一种具有多尺度结构的钨铜复合材料，其中，所述钨铜复合材料是由基体相铜和增强相钨组成。首先，熔炼钨铁合金的目的是为制备多尺度钨提供预制合金，合金中钨的存在形式主要是合金化和未合金化的单相钨，而采用液态金属铜去合金化的前提是铜与钨不互溶，但铜与铁可完全互溶。除此之外，铜（1083℃）与钨（3422℃）、铁（1538℃）的熔化温度差很大。因此，通过液态金属铜对钨铁合金进行去合金化处理，并可通过去合金化处理次数，使钨铜复合材料中的铁含量不高于2%，最后得到多尺度结构钨增强的铜基复合材料，多尺度结构钨是去除钨铁合金中的铁而得到细小的钨相和未合金化且尺寸粗大的单相钨所形成。在微观组织上，多尺度结构钨均匀分布于网络状的铜基体；其中，网络状可保持铜的连续性，利于电子传输，提高材料导电率；并且相较于液态铜渗透钨骨架、溅射沉积和粉末冶金等工艺，本发明实现了对钨含量的有效调控，钨含量最高可达95%。
本发明通过调控熔炼钨铁合金的各相质量分数，再采用熔融态铜对钨铁合金进行去合金化处理，去除钨铁合金中的铁可得到细小的钨相，这与未合金化且尺寸粗大的单相钨形成多尺度结构，这也为制备高钨质量分数的钨铜合金提供了一种新的制备策略。其中，多尺度结构钨晶粒之间的协调变形和应变分配能够促进加工硬化，提高材料的硬度和强度；此外，高钨含量有利于载荷传递，这可提高材料的耐磨性和抗电弧侵蚀能力，避免高压下电弧侵蚀铜而导致接触不良的事故发生。
另外，本发明实施例提供了上述钨铜复合材料的制备方法，只需采用铜对钨铁合金进行去合金化处理即可。由此可见，相较于化学镀或包覆的复杂工艺，本发明的制备方法简单，节约原料成本。此外，该制备方法对熔炼的钨铁合金进行成分配比，进而对钨含量进行有效调节，从而使钨铜复合材料的硬度、强度等力学性能以及导电导热、抗电弧侵蚀等功能特性，并且可在较大范围内进行调节，以满足不同应用领域下的服役要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料制备过程中，铜熔液对钨铁合金进行去合金化的示意图；其中，（a）为熔炼4次得到的钨铁合金，（b）为熔炼得到的钨铁合金经过铜熔液去合金化所得到的钨铜复合材料。
图2是本发明实施例1所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料制备过程中，熔炼钨铁合金的微观组织结构图（其中浅色为钨，浅灰色为钨铁合金，暗深色为铁）。
图3是本发明实施例1所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料制备过程中，熔炼钨铁合金的XRD结果。
图4是本发明实施例1所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的微观组织结构图（其中亮色为钨，暗色为铜）。
图5是本发明实施例1所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的压缩应力-应变曲线。
图6是本发明实施例2所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的微观组织结构图（其中亮色为钨，暗色为铜）。
图7是本发明实施例2所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的压缩应力-应变曲线。
图8是本发明实施例3所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的微观组织结构图（其中亮色为钨，暗色为铜）。
图9是本发明实施例3所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的压缩应力-应变曲线。
图10是本发明实施例4所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的微观组织结构图（其中亮色为钨，暗色为铜）。
图11是本发明实施例4所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的压缩应力-应变曲线。
图12是本发明实施例5所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的微观组织结构图（其中亮色为钨，暗色为铜）。
图13是本发明实施例5所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的压缩应力-应变曲线。
图14是本发明实施例6所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的微观组织结构图（其中亮色为钨，暗色为铜）。
图15是本发明实施例6所制备的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的压缩应力-应变曲线。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明主要开发一种具有多尺度结构的钨铜复合材料及其制备方法，可实现高钨含量且具有多尺度结构的钨铜复合材料。
本发明实施例提供一种具有多尺度结构的钨铜复合材料，其中，所述钨铜复合材料是由基体相铜和增强相钨组成；钨具有多尺度结构且在铜基体中均匀分布；其中采用熔融态铜对钨铁合金进行去合金化处理的前提是钨和铜互不固溶，而钨和铁可部分互溶。因此，选择液态铜对铁进行溶解并去除，其中，铁包括钨铁合金和未合金化的铁单质，经冷却得到钨铜复合材料；其中合金去除铁元素可得到细小的钨相，这与未合金化且尺寸粗大的钨相形成多尺度结构。
下面通过附图和具体实验实施例进一步对本发明说明如下：
注：以下实施例均采用同一真空熔炼炉和真空管式炉分别进行钨铁合金的熔炼和高温去合金化处理；铜熔液对钨铁合金进行去合金化的示意图如图1所示。
实施例1
本实施例制备一种多尺度结构钨铜复合材料，其中，所采用的原料包括为：钨质量分数为80%的钨铁合金块、铁块、钨块和纯度为99.9%以上的电解铜块。具体制备步骤如下：
熔炼钨铁合金：将500 g钨质量分数为80%的钨铁合金块、100 g钨块和94.4 g铁块放入真空熔炼炉加热，电流500 A，熔炼时间45 s，重熔翻转次数4次，最后得到均匀钨质量分数为72%且组织均匀的钨铁合金。
高温去合金化：将熔炼的钨铁合金和充足的铜块放入于石墨坩埚并置于真空管式炉中，在保护气氛或真空条件下，从室温以8℃/min的速率升温至1000℃，再以升温速率5℃/min升至1200℃，在该温度下保温2.5 h完成高温去合金化处理，待冷却取出，去除多余铜，再以相同的去合金化工艺处理2次，可得到去除铁元素且多尺度的钨铜复合材料；其中，保温时间依据钨铁合金中的铁含量进行选择，保证去合金化时间充足，提高对铁元素的去除，最后得到钨质量分数72%且具有多尺度结构的钨铜复合材料。
图1是实施例1的采用铜对钨铁合金去合金化的示意图，其中，（a）为熔炼4次得到的钨铁合金，（b）为熔炼得到的钨铁合金经过铜熔液去合金化所得到的钨铜复合材料，可以看出钨铁合金经过去合金化，铁被完全溶解，原位生成细小钨颗粒分布在铜基体中，与未合金化的粗大钨颗粒形成多尺度结构。图2为实施例1对原料进行熔炼后的钨铁合金，其中浅色为钨，浅灰色为钨铁合金，暗深色为铁，钨、铁两相呈均匀分布，而钨铁合金（W7Fe6）处于钨、铁两相之间，如图3所示。钨铁合金经去合金化处理，得到具有多尺度结构的钨铜复合材料，其组织结构如图4所示，不同尺度的钨分布于铜基体上，可以看出钨颗粒尺度具有微米尺度和微纳米尺度且基体铜保持网络状。图5为实施例1制备的多尺度钨铜复合材料所测压缩应力应变曲线，其抗压强度为1063 MPa。复合材料的硬度为2.77 GPa，电导率为22.3 MS/m。
实施例2
本实施例制备一种多尺度结构钨铜复合材料，其中，所采用的原料包括为：钨质量分数为80%的钨铁合金块和铁块、纯度为99.9%以上的电解铜块。具体制备步骤如下：
熔炼钨铁合金：将500 g钨质量分数为80%的钨铁合金块和33.3 g铁块放入真空熔炼炉，电流450 A，熔炼时间45 s，重熔翻转次数5次，最后得到均匀钨质量分数为75%且组织均匀的钨铁合金。
高温去合金化：将熔炼的钨铁合金和充足的铜块放入于石墨坩埚并置于真空管式炉中，在保护气氛或真空条件下，从室温以10℃/min的速率升温至1000℃，再以升温速率5℃/min升至1350℃，在该温度下保温3 h完成高温去合金化处理，待冷却取出，去除多余铜，再以相同的去合金化工艺处理，可得到去除铁元素且多尺度的钨铜复合材料；其中，保温时间依据钨铁合金中的铁含量进行选择，保证去合金化时间充足，实现铁元素的完全溶解去除，最后得到钨质量分数75%且具有多尺度结构的钨铜复合材料。
如图6是实施例2钨铁合金经去合金化处理，得到具有多尺度结构的钨铜复合材料的组织结构图，微米和微纳米尺度的钨分布于铜基体且铜保持网络状。图7为实施例2制备的多尺度钨铜复合材料所测压缩应力应变曲线，其抗压强度为1120 MPa，硬度为2.98 GPa，电导率为21.5 MS/m。
实施例3
本实施例制备一种多尺度结构钨铜复合材料，其中，所采用的原料包括为：钨质量分数为80%的钨铁合金块和钨块、纯度为99.9%以上的电解铜块。具体制备步骤如下：
熔炼钨铁合金：将500 g钨质量分数为80%的钨铁合金块和166.67 g钨块放入真空熔炼炉加热，电流500 A，熔炼时间60 s，重熔翻转次数5次，最后得到均匀钨质量分数为85%且组织均匀的钨铁合金。
高温去合金化：将熔炼的钨铁合金和充足的铜块放入于石墨坩埚并置于真空管式炉中，在保护气氛或真空条件下，从室温以10℃/min的速率升温至1000℃，再以升温速率5℃/min升至1300℃，在该温度下保温2.5h完成高温去合金化处理，待冷却取出，去除多余铜，再以相同的去合金化工艺处理，可得到去除铁元素且多尺度的钨铜复合材料；其中，保温时间依据钨铁合金中的铁含量进行选择，保证去合金化时间充足，实现铁元素的完全溶解去除，最后得到钨质量分数85%且具有多尺度结构的钨铜复合材料。
如图8是实施例3钨铁合金经去合金化处理，得到具有多尺度结构的钨铜复合材料的组织结构图，微米和微纳米尺度的钨分布于铜基体且铜保持网络状。图9为实施例3制备的多尺度钨铜复合材料所测压缩应力应变曲线，其抗压强度为1222 MPa，硬度为3.2 GPa，电导率为15.6 MS/m。
实施例4
本实施例制备一种多尺度结构钨铜复合材料，其中，所采用的原料包括为：钨质量分数为80%的钨铁合金块和钨块、纯度为99.9%以上的电解铜块。具体制备步骤如下：
熔炼钨铁合金：将500 g钨质量分数为80%的钨铁合金块和1500 g钨块放入真空熔炼炉加热，电流550 A，熔炼时间60 s，重熔翻转次数5次，最后得到均匀钨质量分数为95%且组织均匀的钨铁合金。
高温去合金化：将熔炼的钨铁合金和充足的铜块放入于石墨坩埚并置于真空管式炉中，在保护气氛或真空条件下，从室温以10℃/min的速率升温至1000℃，再以升温速率5℃/min升至1250℃，在该温度下保温3 h完成高温去合金化处理，待冷却取出，去除多余铜，再以相同的去合金化工艺处理，可得到去除铁元素且多尺度的钨铜复合材料；其中，保温时间依据钨铁合金中的铁含量进行选择，保证去合金化时间充足，实现铁元素的完全溶解去除，最后得到钨质量分数95%且具有多尺度结构的钨铜复合材料。
如图10是实施例3钨铁合金经去合金化处理，得到具有多尺度结构的钨铜复合材料的组织结构图，可以看出细小钨颗粒增多且呈密排分布。图11为实施例3制备的多尺度钨铜复合材料所测压缩应力应变曲线，其抗压强度为1339 MPa，硬度为3.46 GPa，电导率为9.7 MS/m。
实施例5
本实施例制备一种多尺度结构钨铜复合材料，其中，所采用的原料包括为：钨质量分数为70%的钨铁合金块、铁块和纯度为99.9%以上的电解铜块。具体制备步骤如下：
熔炼钨铁合金：将500 g钨质量分数为70%的钨铁合金块、38.46 g铁块放入真空熔炼炉加热，电流500 A，熔炼时间30 s，重熔翻转次数3次，最后得到均匀钨质量分数为65%且组织均匀的钨铁合金。
高温去合金化：将熔炼的钨铁合金和充足的铜块放入于石墨坩埚并置于真空管式炉中，在保护气氛或真空条件下，从室温以5℃/min的速率升温至1000℃，再以升温速率5℃/min升至1350℃，在该温度下保温5 h完成高温去合金化处理，待冷却取出，去除多余铜，可得到去除铁元素且多尺度的钨铜复合材料；其中，保温时间依据钨铁合金中的铁含量进行选择，保证去合金化时间充足，提高对铁元素的去除，最后得到钨质量分数65%且具有多尺度结构的钨铜复合材料。
如图12是实施例5钨铁合金经去合金化处理，得到具有多尺度结构的钨铜复合材料的组织结构图，由于微米钨枝晶和微纳米尺度的钨颗粒分布于铜基体且铜基体保持网络状。图13为实施例5制备的多尺度钨铜复合材料所测压缩应力应变曲线，其抗压强度为941MPa，硬度为2.53 GPa，电导率为27.2 MS/m。
实施例6
本实施例制备一种多尺度结构钨铜复合材料，其中，所采用的原料包括为：钨质量分数为80%的钨铁合金块、钨块和纯度为99.9%以上的电解铜块。具体制备步骤如下：
熔炼钨铁合金：将500 g钨质量分数为80%的钨铁合金块、500 g钨块放入真空熔炼炉加热，电流550 A，熔炼时间45 s，重熔翻转次数4次，最后得到均匀钨质量分数为90%且组织均匀的钨铁合金。
高温去合金化：将熔炼的钨铁合金和充足的铜块放入于石墨坩埚并置于真空管式炉中，在保护气氛或真空条件下，从室温以5℃/min的速率升温至1000℃，再以升温速率5℃/min升至1400℃，在该温度下保温4 h完成高温去合金化处理，待冷却取出，去除多余铜，再以相同的去合金化工艺处理1次，可得到去除铁元素且多尺度的钨铜复合材料；其中，保温时间依据钨铁合金中的铁含量进行选择，保证去合金化时间充足，提高对铁元素的去除，最后得到钨质量分数90%且具有多尺度结构的钨铜复合材料。
如图14是实施例5钨铁合金经去合金化处理，得到具有多尺度结构的钨铜复合材料的组织结构图，微米和微纳米尺度的钨分布于铜基体且铜基体保持网络状。图15为实施例5制备的多尺度钨铜复合材料所测压缩应力应变曲线，其抗压强度为1241 MPa，硬度为3.35 GPa，电导率为11.2 MS/m。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种具有多尺度结构的钨铜复合材料，其特征在于，由基体相铜和增强相钨组成；在钨铜复合材料中：基体相铜为网络状，增强相钨具有多尺度结构，且在网络状铜基体中均匀分布；
其中，多尺度结构钨是采用熔融态铜对钨铁合金进行去合金化处理，去除铁元素而得到细小的钨相与未合金化、尺寸粗大的钨相所形成。
2.根据权利要求1所述的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料，其特征在于，所述增强相钨的质量分数为60%~98%，其余为铜。
3.根据权利要求2所述的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料，其特征在于，所述增强相钨的质量分数为65%~95%。
4.根据权利要求1所述的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料，其特征在于，所述钨铜复合材料的抗压强度为900 MPa ~1350 MPa，硬度为2.5 GPa~3.5 GPa，电导率为9 MS/m ~30 MS/m。
5.权利要求1-4任一项所述的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1. 熔炼钨铁合金：将原料按照比例放入真空熔炼炉中，然后在保护气氛或真空条件下，进行熔炼处理，得到钨铁合金；其中，所述原料包括钨铁合金、金属钨和铁中的两种及以上组合；
步骤2. 高温去合金化：将铜块、熔炼得到的钨铁合金或未熔炼的钨铁合金放置于石墨坩埚中，在保护气氛或真空条件下，进行高温去合金化处理，得到钨铜复合材料；其中，所述高温去合金化温度高于铜的熔点。
6.根据权利要求5所述的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，原料中钨铁合金、金属钨和金属铁的形态为粉体或块体；其中，原料钨铁合金中钨的质量分数为70%~80%；整个制备过程中，钨的存在形式是合金化和未合金化的单相钨；
所述熔炼的电流为450 A ~550 A，熔炼时间为30 s~60 s；
所述熔炼的钨铁合金中钨的质量分数在60%-98%范围可调控。
7.根据权利要求6所述的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于，熔炼的钨铁合金中钨的质量分数为65%-95%。
8.根据权利要求5所述的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，在熔炼之后还包括重熔步骤；其中，重熔翻转次数为至少2次。
9.根据权利要求5所述的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，在所述高温去合金化步骤中：采用程序升温至1100℃~1500℃；其中，在1000℃以下时，升温速率为1℃/min ~10℃/min；在1000℃~1500℃范围内，升温速率为1℃/min ~5℃/min；
所述高温去合金化时，去合金化时间不低于0.5h，去合金化次数不低于1次，使钨铜复合材料中的铁含量不高于2%。
10.根据权利要求9所述的一种具有多尺度结构的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述在1000℃以下时，升温速率为5℃/min ~8℃/min；在1000℃~1500℃范围内，升温速率为2℃/min ~3℃/min。
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Citations (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR900700216A (ko) * | 1987-09-28 | 1990-08-11 | 원본 미기재 | 구리-텅스텐 금속 혼합물 및 제조방법 |
| JPH0971828A (ja) * | 1995-08-31 | 1997-03-18 | Toho Kinzoku Kk | 放射線遮蔽用タングステン基合金材料 |
| JPH09143501A (ja) * | 1995-11-17 | 1997-06-03 | Osram Sylvania Inc | タングステン−銅複合粉末 |
| JP2001288528A (ja) * | 2000-04-03 | 2001-10-19 | Mitsubishi Material Cmi Kk | 坩 堝 |
| WO2003027340A1 (fr) * | 2001-09-26 | 2003-04-03 | Cime Bocuze | Alliage base tungstene fritte a haute puissance |
| EP1382699A1 (en) * | 2002-07-13 | 2004-01-21 | Poongsan Corporation | A heavy Tungsten alloy for penetrating splinter shell and forming method thereof |
| US20040131492A1 (en) * | 2002-10-02 | 2004-07-08 | Mitsubishi Materials Corporation | Production process for Fe-based sintered alloy valve seat |
| CN101928867A (zh) * | 2010-04-09 | 2010-12-29 | 西安理工大学 | 基于松装熔渗法制备钨铜合金的方法 |
| CN102312146A (zh) * | 2011-08-05 | 2012-01-11 | 西安理工大学 | 一种CuW70触头材料的制备方法 |
| CN102363852A (zh) * | 2011-10-26 | 2012-02-29 | 北京科技大学 | 一种制备高钨含量、均匀致密W-Cu复合材料的方法 |
| US20160141126A1 (en) * | 2013-10-23 | 2016-05-19 | Hitachi, Ltd. | Electrical Contact for Vacuum Interrupter and Process for Producing Same |
| CN106148794A (zh) * | 2016-08-19 | 2016-11-23 | 北京尚华扬电子技术开发有限公司 | 一种掺杂纳米铁粉的铜钨合金及其制备方法 |
| CN107513653A (zh) * | 2017-08-10 | 2017-12-26 | 河池桂嘉知识产权服务有限公司 | 高比重钨合金超薄板及其制备方法 |
| CN107587158A (zh) * | 2017-08-11 | 2018-01-16 | 天津工业大学 | 一种纳米多孔高熵合金电极及其制备方法和应用 |
| KR101938488B1 (ko) * | 2017-08-03 | 2019-01-14 | 서울대학교산학협력단 | 내화 금속계 합금과 구리의 이중연속구조 복합재 및 그 제조방법 |
| CN110462747A (zh) * | 2016-12-30 | 2019-11-15 | 安德拉斯·科瓦奇 | 通过金属合金产生能量的方法和装置 |
| CN113584516A (zh) * | 2021-08-05 | 2021-11-02 | 哈尔滨工业大学 | 高熵合金纤维及其制备方法和应用 |
| CN114086013A (zh) * | 2021-11-09 | 2022-02-25 | 北京工业大学 | 一种高强高导的超细晶钨铜复合材料及制备方法 |
| CN114525438A (zh) * | 2022-02-16 | 2022-05-24 | 西安宝德九土新材料有限公司 | 钨铜复合材料及其制备方法 |
-
2024
- 2024-02-29 CN CN202410227824.6A patent/CN117802378B/zh active Active
Patent Citations (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR900700216A (ko) * | 1987-09-28 | 1990-08-11 | 원본 미기재 | 구리-텅스텐 금속 혼합물 및 제조방법 |
| JPH0971828A (ja) * | 1995-08-31 | 1997-03-18 | Toho Kinzoku Kk | 放射線遮蔽用タングステン基合金材料 |
| JPH09143501A (ja) * | 1995-11-17 | 1997-06-03 | Osram Sylvania Inc | タングステン−銅複合粉末 |
| JP2001288528A (ja) * | 2000-04-03 | 2001-10-19 | Mitsubishi Material Cmi Kk | 坩 堝 |
| WO2003027340A1 (fr) * | 2001-09-26 | 2003-04-03 | Cime Bocuze | Alliage base tungstene fritte a haute puissance |
| EP1382699A1 (en) * | 2002-07-13 | 2004-01-21 | Poongsan Corporation | A heavy Tungsten alloy for penetrating splinter shell and forming method thereof |
| US20040131492A1 (en) * | 2002-10-02 | 2004-07-08 | Mitsubishi Materials Corporation | Production process for Fe-based sintered alloy valve seat |
| CN101928867A (zh) * | 2010-04-09 | 2010-12-29 | 西安理工大学 | 基于松装熔渗法制备钨铜合金的方法 |
| CN102312146A (zh) * | 2011-08-05 | 2012-01-11 | 西安理工大学 | 一种CuW70触头材料的制备方法 |
| CN102363852A (zh) * | 2011-10-26 | 2012-02-29 | 北京科技大学 | 一种制备高钨含量、均匀致密W-Cu复合材料的方法 |
| US20160141126A1 (en) * | 2013-10-23 | 2016-05-19 | Hitachi, Ltd. | Electrical Contact for Vacuum Interrupter and Process for Producing Same |
| CN106148794A (zh) * | 2016-08-19 | 2016-11-23 | 北京尚华扬电子技术开发有限公司 | 一种掺杂纳米铁粉的铜钨合金及其制备方法 |
| CN110462747A (zh) * | 2016-12-30 | 2019-11-15 | 安德拉斯·科瓦奇 | 通过金属合金产生能量的方法和装置 |
| KR101938488B1 (ko) * | 2017-08-03 | 2019-01-14 | 서울대학교산학협력단 | 내화 금속계 합금과 구리의 이중연속구조 복합재 및 그 제조방법 |
| CN107513653A (zh) * | 2017-08-10 | 2017-12-26 | 河池桂嘉知识产权服务有限公司 | 高比重钨合金超薄板及其制备方法 |
| CN107587158A (zh) * | 2017-08-11 | 2018-01-16 | 天津工业大学 | 一种纳米多孔高熵合金电极及其制备方法和应用 |
| CN113584516A (zh) * | 2021-08-05 | 2021-11-02 | 哈尔滨工业大学 | 高熵合金纤维及其制备方法和应用 |
| CN114086013A (zh) * | 2021-11-09 | 2022-02-25 | 北京工业大学 | 一种高强高导的超细晶钨铜复合材料及制备方法 |
| CN114525438A (zh) * | 2022-02-16 | 2022-05-24 | 西安宝德九土新材料有限公司 | 钨铜复合材料及其制备方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117802378B (zh) | 2024-04-30 |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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