钨铜功能梯度材料的制备及应用

基金项目：国家自然科学基金资助项目，项目号51074060。

作者简介：齐艳飞（1987－），女，河北唐山人，硕士在读，主要研究方向为钢铁冶金。E-mail ：449019576@ 。通讯作者：李运刚（1958-），男，河北省元氏县人，教授。E-mail ：lyg@ 。

W/Cu 功能梯度材料的制备及应用

齐艳飞

李运刚

田

薇

蔡宗英

周景一

（河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山063009）

摘

要

W/Cu 功能梯度材料性能优异应用广泛，以W/Cu 功能梯度材料的制备方法为

研究对象，探讨不同制备方法存在的优缺点，包括熔渗法、粉末冶金法及等离子喷涂法。作为等离子体材料应与等离子体相适应，耐热冲蚀。在电子领域中，其一侧应满足与基板的封接问题，另一侧满足高导热、低热膨胀系数的要求。目前虽然研发出多种新工艺、新技术，但需进一步了解其控制因素及影响机理，另外每种工艺适用范围比较小，需开发高效、低成本、适用广、易控制的制造工艺。关键词

W/Cu 功能梯度材料；制备方法；应用

Fabrication and Application of W/Cu Functionally Graded Material

Qi Yanfei Li Yungang

Tian Wei

Cai Zongying

Zhou Jingyi

（School of Metallurgy and Energy,Hebei United University,Tangshan Hebei 063009,China ）

ABSTRACT

W/Cu functionally graded materials (FGM)are widely applied because of their excellent performance.The

preparation methods of W/Cu FGM,including the plasma spray coating technology,the powder metallurgical method and plasma sprayed coating method,are introduced in this paper,and the advantages and disadvantages of each method are analysed.As PFC it should adapt to plasma and resist heat flow erosion.In electronic,one side of the FGM should meet the requirement of sealing with the substrate,and the other side of it should have high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient.Many new techniques and technologies are developed,but the control factors and influence mechanism need further study.And the application scope of each process is relatively small.Therefore,manufacturing processes with the advantages of high efficiency,low cost,wide application and easy control are urgently needed to develop.KEY WORDS W/Cu functionally graded materials;preparation methods;application

2012年12月

Dec.2012

第29卷第6期Vol.29No.6硬质合金CEMENTED CARBIDE

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应用研究

doi ：10.3969/j.issn.1003-7292.2012.06.009

随着现代科学技术的发展，对特殊环境下工作材料的要求日益提高，普通的陶瓷、金属及复合材料的各项性能已经很难满足苛刻条件下对其性能的需求。在这种条件下，功能梯度材料应运而生，它将材料科学与物理、化学、计算机等学科进行交叉渗透，

并引入新理论技术及实验技术。功能梯度材料（FGM ），是指通过连续地改变两种或两种以上性质不同的材料的结构、组成、密度等，使其内部界面减小甚至消失，从而得到材料成分非均匀变化而性能呈连续平稳变化的新型非均质复合材料[1]。梯度材料

硬质合金第29卷

在保留普通复合材料优点的同时，又引入组成梯度变化的设计思想，有效的克服了宏观界面存在的不利影响[2]。FGM 的主要优势体现在可以连接2种不相溶的材料，提高粘结强度，减少不同材料之间存在的残余应力及裂纹驱动力，有效消除不同材料界面之间的交叉点[3]。

钨铜功能梯度材料是近年来兴起的一种新型钨铜复合材料，其一端是高熔点、高硬度、低热膨胀系数的金属钨或低含铜的钨铜；另一端是高导热、高导电、塑性好的金属铜或是高含铜的钨铜；中间是组成呈梯度变化的过渡层[4]，如图1所示。这种新型非均质复合材料将W 、Cu 的不同性能溶于一体，能够很好的解决因熔点相差较大而存在的连接问题，很好的缓和W 、Cu 之间的热应力，有利于W 、Cu 充分发挥各自的本征特征，获得较好的力学性能、抗烧蚀性、抗热震性等综合性能[5]。

W/Cu 功能梯度材料的这些优点拓展了其应用

领域，吸引了研究者们的兴趣。尤其是在面对等离子部件及电子材料领域中的应用，其既能承受高能热流的冲击，又能很好的解决与陶瓷基板的封接问题。此外，在高温条件下，铜蒸发吸热会产生自冷却的作用效果[6]。虽然其应用范围广，但其制备工艺情况不太乐观。现有的制备工艺主要以熔渗法和粉末冶金法为主，但在一定程度上都存在着不足。如：熔渗法，材料成分难以得到精确控制、空隙分布不均及烧结温度高等；粉末冶金法，制作工艺复杂，需严格控制保温温度、时间及冷却速度等。针对这些制备工艺存在的问题，研究者们在原有的基础之上加以改进，研发出了一些新工艺。以下对改进后的制备工艺加以分析，并剖析新制备工艺存在的优劣点。

1制造工艺

1.1熔渗法

熔渗法又叫熔浸法，先将钨粉（或混有少量铜粉

的钨粉）压制成坯，之后在预定温度下烧制成具有一定密度和强度的多孔W 基骨架，再将金属Cu 放在还原气氛或真空中烧结，烧结温度需高于铜的熔点温度，即可制得钨铜复合材料[7]。该方法机理：当金属液相润湿多孔基体时，在毛细管力作用下，金属液沿颗粒间隙流动填充到多孔骨架孔隙中，制得致密度较高的材料[8]。W/Cu 梯度功能材料的熔渗法又包括以下几种方法。

1）常规熔渗法

TAKAHASHI 等分层装入预设的不同粒度的W

粉，之后对其进行压制、烧结、熔渗铜，即可制得组成比例不同的钨铜梯度材料，再经电化学腐蚀已烧结完成的多孔钨坯，沿腐蚀方向即可形成孔隙率呈梯度变化的钨坯，最后熔渗铜，即可获得成分组成呈连续变化的W /Cu FGM [9]。由于烧结收缩率不同，此法制得的W/Cu FGM 部件的成分分布及形状难以得到精确控制。

2）水煮溶剂造孔法

目前普遍采用有机物为钨骨架造孔剂，有机物分解时产生气体，气体会使钨坯膨胀和破裂，如果生成的孔隙分布不均，熔渗铜后出现富铜区和贫铜区[10]，如图2中的c 和d 。由于无机物极易溶于水，其做造孔剂时，即使混合不均，水煮后不同颗粒之间的气压差也会减小，与自身粒度大小相当的空隙得到保留，不会出现富铜区和贫铜区，如图2中的a 和b 。整体而言，钨铜呈梯度分布，但a 和c 是不同粒度的钨粉压制而成的，b 和d 是相同粒度钨粉压制而成。在压制时不同粒度的钨粉可以更好地啮合，所以相同粒度的层状更明显。

陶光勇等[11]采用水煮溶剂造孔法，将Cu 、W 按不同的质量比配比，然后称取W 粉，并将W 粉与造孔剂混匀，逐层堆叠5层，再在钢模中加压成生坯，放在真空炉中保温（1500℃）2h ，脱除有机物造孔剂。无机物造孔剂水煮时会溶解，得到孔隙呈梯度变化、细小均匀的W 骨架，之后在1400℃、H 2气氛中快速渗铜，即可获得较为致密且呈5层梯度结构变化的W/Cu FGM 。

这种方法得到的梯度材料的富Cu 侧不易产生裂纹、不易扩展；但富W 端侧的裂纹易扩展，也易出现应力集中。裂纹出现后，塑性相铜会阻止裂纹扩展，随循环次数增加宏观裂纹没有出现明显扩展的迹象。另外，水煮溶解造孔剂制得的W 骨架孔隙比有机物制得的W 骨架孔隙细小均匀。

图1W-Cu 功能梯度材料设计图

Fig.1Design drawing of W-Cu functionally

graded material

W

Cu

Cu%

W%

Ni%

Cu basic layer

Transitional layers

W layer

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