钨铜复合材料用钨骨架的制备与压缩性能

杨广宇，刘楠，贾亮，许忠国，杨坤，刘海彦，汤慧萍



钨铜复合材料用钨骨架的制备与压缩性能

杨广宇，刘楠，贾亮，许忠国，杨坤，刘海彦，汤慧萍

(西北有色金属研究院，金属多孔材料国家重点实验室，西安710016)

采用电子束选区熔化成形得到点阵结构钨样件，然后填入细钨粉松装烧结成多孔体，制备钨铜复合材料用的钨骨架，对点阵结构与多孔体的形貌与结构进行观察与分析，并测试点阵结构与钨骨架的压缩性能。结果表明：钨点阵结构的孔结构完整，孔筋内部无孔洞、裂纹等缺陷，并且组织细小。点阵结构的抗压强度高，但韧性较差，压缩过程几乎为瞬间脆性溃散。采用分段烧结的方法在点阵结构内部引入微米级多孔体，点阵结构与多孔体相互嵌套形成复合结构的钨骨架，骨架的压缩断裂经历单独点阵结构受力–点阵结构微弱变形–协同受力–开裂坍塌的过程，表现为一种混合断裂模式，避免了单独点阵结构的瞬间脆性坍塌。

钨骨架；钨铜复合材料；电子束选区熔化成形；粉末烧结；压缩性能

钨铜复合材料同时具有铜的高导电导热性能、以及钨的高温强度高、抗电弧烧蚀性能优良的特性，在电力、电子、冶金等领域得到广泛应用，尤其是在各类高压电器开关的电触头方面有着重要的应用[1−3]。传统的钨铜复合材料多采用钨粉烧结制备骨架而后进行高温渗铜的方法制备，钨骨架中钨颗粒之间的界面结合较差，在受力过程中易产生裂纹，影响复合材料的力学性能。如我国超高压输电用的钨铜触头材料，在高温下电磨损和机械磨损情况严重，钨骨架易断裂，引起电弧燃烧位置错动。为了改善钨铜复合材料的力学性能，研究人员开展了多方面的研究[4−8]，如细化钨晶粒、改善成形方法等，可在一定程度上改善合金的组织均匀性、提高合金致密度、改善钨与铜的润湿性，但均未使合金的强度得到大幅度提高。通过调控钨骨架的连续程度来提高钨骨架的强度出发，也是提高钨铜复合材料性能的一个有效方法。以金属粉末为原料，基于三维模型各截面信息，利用高能束流对金属粉末进行逐层熔化叠加的金属粉末选区熔化成形技术(又称3D打印技术)，是目前飞速发展的一项新兴技术，在复杂结构的一次成形方面具有明显的优势[9−11]。将此技术引入到钨骨架的制备，因成形过程是基于三维模型，可得到连续、孔隙均匀可控的三维网状结构，同时，高能束流如激光束或电子束可使高熔点金属钨完全熔化，减少钨–钨颗粒界面，从而提高最终钨骨架的强度。本研究以钨粉为原料，采用电子束选区熔化成形技术得到高强的钨三维空间点阵结构，然后在多孔点阵结构的孔隙内加入钨粉，通过粉末松装烧结得到三维点阵/多孔烧结体复合结构的钨骨架。以此种结构的钨骨架作为渗铜基体制备钨铜复合材料，可充分利用点阵结构的高强度，同时，内部微米级孔结构可避免后续渗铜处理时铜相的大量富集，有望获得高性能的钨铜复合材料。

1 实验

1.1 原料

采用粒径小于50 μm、纯度为99.9%的纯钨粉作为电子束选区熔化成形(selective electron beam melting，缩写为SEBM)制备点阵结构钨样件的原料。该粉末的流动性为10.25 s/50 g，松装密度为9.16 g/cm3，粉末形貌如图1(a)所示。在钨点阵结构内部填入细钨粉进行松装烧结，细钨粉的形貌如图1(b)所示，为不规则形状，粉末粒径在2~5 μm之间。

1.2 电子束选区熔化成形(SEBM)

利用CAD绘图软件绘制出尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的正方体点阵结构三维模型。内部孔壁厚度为0.5 mm，等效孔径分别为0.5，0.8和1.0 mm。然后通过分层软件将三维模型转换成一系列切片层，每层厚度为0.05 mm。将所得切片数据导入电子束选区熔化成形设备中，在成形腔真空度不大于5×10−2Pa的条件下进行SEBM成形。成形开始时金属粉末从两侧的粉箱中流出，利用刮板在成形底板上铺展一层厚度约为0.05 mm的粉末。电子束根据第一层切片层数据信息进行选择性熔化，熔化完成后成形底板下降一定高度。重复上述过程，逐层叠加，最终完成整个结构件的制备。最后，利用高压气体将未熔化的残余粉末去除，得到点阵结构样件。成形过程分为预热阶段和成形阶段，底板预热温度为1 000 ℃，熔化电流为30~40 mA，扫描速度为120~200 mm/s。制备出等效孔径分别为0.5，0.8，1.0 mm的点阵结构钨样品。

图1 原料钨粉末的显微形貌

1.3 粉末松装烧结

在SEBM成形的钨点阵结构内部填入粒径2~5 μm的细钨粉进行松装烧结，采用分段保温的方式：在1 100 ℃保温1 h后，升温至1 400 ℃保温2 h，再升温至1 700 ℃保温1 h。随炉冷却，最终得到三维点阵/多孔烧结体复合结构的钨骨架，其结构示意图如图2所示。

图2 钨骨架的三维点阵/多孔烧结体复合结构示意图

对SEBM成形的点阵结构钨样件和粉末松装烧结后的点阵结构/多孔烧结体复合结构钨骨架分别进行室温静态压缩性能测试，并采用扫描电镜(SEM)对点阵结构与钨骨架的显微结构和压缩断口形貌进行 观察。

2 结果与讨论

2.1 钨点阵结构

图3所示为SEBM成形的孔壁厚度为0.5 mm，等效孔径分别为0.5，0.8，1.0 mm的点阵结构钨样品宏观形貌及表面微观形貌。从图中可看出，样品的点阵结构完整，无明显变形、坍塌等缺陷，孔筋具有类似于烧结粉末的粗糙表面，点阵结构的孔隙率列于表1。

图4所示为SEBM成形的钨点阵结构孔筋截面组织。由图可看出，孔筋内部为全致密结构，无孔洞、裂纹等成形缺陷，并且组织细小。相对于传统粉末冶金工艺，SEBM的电子束流能量密度高，可实现钨粉的完全熔化，从而极大地提高骨架结构的强度；同时，高能电子束的直径仅为100 μm左右，熔化金属粉末形成的熔池细小，冷却速率极快，因此钨在凝固过程中不会发生明显的晶粒长大，可以进一步保证点阵结构的强度；另外SEBM成形过程为逐层累加，在每层粉末熔化之前利用电子束快速扫描粉末层预热，使整个型腔温度始终保持在接近1 000 ℃，整个成形过程中成形腔内的温度均处于高于钨合金的韧脆转变温度，可有效减少金属钨因快速冷却引起的热应力开裂。

2.2 内部多孔体

一般渗铜法制备钨铜复合材料所用的钨骨架结构多具有微米级小孔，可有效利用毛细现象，尤其是在制备电触头钨铜复合材料时，微孔结构可避免大量铜的聚集。因此，本研究采用粉末松装烧结的方法在钨的点阵结构内部制备微米级多孔体。内部多孔体要求孔径尽量均匀，孔之间保持相互连通性，并与SEBM成形的点阵架结构具有良好的界面结合。为满足上述要求，多孔体采用分段烧结方式进行，图5所示为各阶段样品的SEM形貌。由图可知，1 100 ℃保温1 h主要起到低温预烧结的作用，还原粉末表面氧化物，消除粉末之间的接触应力，仅实现粉末颗粒之间的初始结合；1 400 ℃保温2 h阶段，烧结颈初步形成；1 700℃保温1 h，粉末开始发生大量的物质迁移，烧结颈长大，孔道趋于平滑稳定，得到较理想孔道的多孔结构，孔隙率约为50%，并最终得到点阵/多孔烧结体复合结构钨骨架，如图6所示。从图6可见，内部多孔体与点阵结构相互嵌套，界面结合良好，整体钨骨架结构的孔隙率列于表1，可以满足目前应用较广泛的CuW 90、CuW85与CuW80复合材料用钨骨架结构的要求。

图3 SEBM成形的不同孔径的钨点阵结构宏观与微观形貌

图4 SEBM成形钨点阵结构的孔筋表面与截面形貌

图5 粉末松装烧结不同阶段的SEM形貌

图6 点阵结构/多孔体复合结构钨骨架的微观形貌

表1 钨骨架的孔隙率

2.3 压缩性能

图7所示为在室温静态压缩条件下的钨点阵结构的应力–应变曲线与压缩断口形貌。由图可见，采用SEBM方法成形的钨点阵结构具有很高的抗压强度，最高达400 MPa，但塑性变形能力较差，钨骨架发生瞬间脆性坍塌，形成小块的钨颗粒，断口形貌显示为典型的脆性断裂。图8所示为复合结构钨骨架的应力–应变曲线。将图8与图7对比，发现内部加入多孔体后，整体钨骨架结构的强度并未发生明显变化，说明在复合结构钨骨架的压缩变形过程中，点阵结构为主要承力部分，对整体骨架结构起到明显的强化作用，但内部加入多孔体使得钨骨架的塑性变形能力有一定提升。从图8看出，骨架的变形初期主要由强度较高的钨点阵结构起承载的作用；点阵结构发生微弱变形后，与点阵结构紧密连接的内部多孔体开始受力，两者协调作用，避免了点阵结构的瞬间脆性断裂，压缩曲线出现一个短小的平台, 钨骨架表现出一定的塑性变形能力。点阵结构与多孔体的相互嵌套使得钨骨架的断裂表现为一种混合断裂模式。复合结构经历单独点阵结构受力−点阵结构微弱变形−协同受力−开裂坍塌的过程，开裂坍塌后内部的多孔体全部破碎脱落。

图7 点阵结构钨样品的压缩应力–应变曲线(a)与压缩断口形貌(b)

图8 钨点阵结构/多孔体复合结构钨骨架的压缩应力–应变曲线

3 结论

1) 采用电子束选区熔化成形技术与粉末松装烧结相结合的方法制备渗铜用钨骨架，骨架结构为点阵结构/内部多孔体复合结构。

2) 钨点阵结构的孔结构完整，孔筋内部为全致密，无孔洞、裂纹等成形缺陷，同时组织细小。点阵结构的抗压强度高，但韧性较差，压缩过程中发生瞬间脆性溃散。

3) 采用分段烧结的方法在点阵结构内部引入微米级多孔体，钨点阵结构与多孔体相互嵌套，骨架的断裂表现为一种混合断裂模式，静态压缩时经历单独点阵结构受力—点阵结构微弱变形—协同受力—开裂坍塌的过程，避免了单独点阵结构的瞬间脆性坍塌。

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(编辑 汤金芝)

Fabrication and compression property of tungsten skeleton for tungsten-copper composite

YANG Guangyu, LIU Nan, JIA Liang, XU Zhongguo, YANG Kun, LIU Haiyan, TANG Huiping

(State Key Laboratory of Porous Metal Material, Northwest Institute of Non-ferrous Metal, Xi’an 710016, China)

Tungsten skeleton with lattice/porous composite structure was fabricated by selective electron beam melting (SEBM) together with loose powder sintering. Structure and compression property of the tungsten skeleton were studied. The results show that, the porous structure of the tungsten lattice structure is uniform, and there are no pores, cracks and other defects inside, and the microstructure is fine. The compression strength of the lattice structure is high, while the toughness is poor, which leads to almost instantaneous brittle collapse during compression test. A micro scale porous body is introduced into the lattice structure by the step sintering. The lattice structure and the porous body are embeded with each other to form a lattice/porous composite structure of tungsten skeleton. The lattice/porous composite structure shows a mixed fracture compression mode, and undergoes the process of lattice bearing force alone-lattice weak deformation-lattice/porous bearing force together-cracking and collapse during the compression test. It can avoid the instantaneous brittle collapse of the individual lattice structure.

tungsten skeleton; tungsten-copper composite; selective electron beam melting (SEBM); powder sintering; compression property

TG146.4

A

1673-0224(2017)05-701-06

国家高技术研究发展计划(“863”计划)资助项目(2015AA034304)；国家重点研发计划资助项目(2016YFB1101403)

2017−05−17；

2017−06−22

杨广宇，工程师。电话：029-86231095；E-mail: yanggy0403@163.com