论文摘要
钨铜复合材料因其具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性和高强度、高硬度等优点,目前被广泛地用作电触头材料,电阻焊、电火花加工和等离子电极材料,电热合金和高密度合金,特殊用途的军工材料等。然而传统的钨铜复合材料的制备采用熔渗的方法,致密化速度慢,且程度低,铜凝固相粗大且分布不太均匀。另外高温烧结又会使钨颗粒聚集长大,形成粗大不均匀的组织,液相铜过分溢出使成分发生偏析。放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）技术,因其强的脉冲电流对粉末颗粒表面具有清洁、活化作用,极大地降低了合金的烧结温度和缩短了烧结时间,为成功制备高致密、具有细小晶粒的钨铜复合材料提供了一条有效途径。为此,本文以W-20Cu-0.5Co （wt.%）为对象,从以下几方面对放电等离子烧结制备的高密度钨铜复合材料进行了研究：利用高能球磨法制备了W-20Cu-0.5Co （wt.%）复合粉末,研究了W-20Cu-0.5Co（wt.%）混合粉末在高能球磨中的颗粒形貌、尺寸的变化规律。结果表明,在一定球磨时间范围内,随球磨时间的增加,粉末形貌先从初始的多边形变为层片状,然后逐步转变为颗粒状,粉末的颗粒尺寸下降,长时间的球磨还有铜包覆在钨颗粒表面,球磨40h粉末的透射电镜照片中,晶粒已经细化到纳米级别。采用放电等离子烧结技术对W-20Cu-0.5Co复合粉末进行烧结,研究了烧结温度、烧结压力、升温速度和保温时间对烧结材料密度、硬度、抗弯强度以及电导率的影响规律。结果表明,烧结温度越高,烧结压力越大,越有利于复合粉末的烧结和致密,烧结材料的弯曲强度和电导率也越高。但过高的温度和过大的压力又会使铜被挤出,因此实验中采取的较适宜的烧结温度和压力分别为1060℃和50MPa。太快的升温速度不利于烧结过程中气体的排出,900℃后常采用30℃/min的升温速度升温到目标温度。适当的保温时间有利于获得致密的钨铜复合材料,保温时间控制在5～1Omin为宜。对不同球磨时间的W-20Cu-0.5Co （wt.%）复合粉末进行了放电等离子烧结,研究了不同球磨时间对烧结材料性能的影响。研究表明,高能球磨可以提高烧结材料的致密度,但太长的球磨时间会引入较多的杂质,反而使致密度略有降低。随球磨时间的延长,烧结材料的硬度和抗弯强度都会上升,但导电性则是逐渐下降的,原因在于高能球磨使得粉末晶粒更加细化,钨颗粒均匀弥散的分布在铜基体中,使得复合材料的力学性能提高,但细化的晶粒以及大量的晶格畸变加强了对电子的散射作用使得导电率下降,因此获得的钨铜材料的力学性能和导电性能难以兼顾。球磨30h的复合粉末在50MPa的压力下烧结到1060℃并保温10min,烧结材料相对致密度可达99.5%,硬度则为52HRC,抗弯强度达到725.6MPa,电导率为33.2IACS%,表现出较好的综合性能。不同铜含量的复合材料烧结具有类比性。实验还研究了烧结材料的电弧烧蚀性能。研究表明,经阳极型电弧烧蚀后,阳极材料烧蚀大于阴极材料。阳极表面形成凹坑,阴极表面则有相应的粗糙微凹陷,阴极中有许多金属小球,这些小球是阳极中的熔融物飞溅过去的结果。燃弧过程中,钨粉再烧结作用亦是一种不可忽视的现象。不同球磨时间粉末的烧结样品经电弧烧蚀后表现出不同的烧蚀形貌。未球磨粉末烧结样品的烧蚀表面熔融、重凝过程十分明显,有大量的熔池和富铜区；球磨40h的样品表面凹坑变得较小且少,没有发现明显的裂纹,且表面进一步平坦化,阴极表面由阳极飞溅过去的金属颗粒也较小较少。随着球磨时间的不断延长,钨铜复合材料的抗烧蚀能力是逐渐变好的。