简介概要

晶粒尺寸与钨铜合金相关性的研究

来源期刊：稀有金属2018年第1期

论文作者：高红梅陈文革连凯张飞奇

文章页码：59 - 66

关键词：钨铜合金;晶粒尺寸;组织性能;循环热处理;电弧烧蚀;

摘要：采用不同粒度钨粉和循环热处理分别制备出不同晶粒尺寸的Cu W70合金。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和拉压万能试验机研究合金的组织结构和性能,结果表明:采用粒径分别是80 nm,6~8μm和30~35μm的钨粉,经混料成型和熔渗烧结可以制备出晶粒尺寸分别为0.52,5.18和20.69μm的钨铜合金;1300℃多次烧结或热处理可以改变钨铜合金的晶粒尺寸,其规律是随热处理次数的增加晶粒尺寸先减小后增大,但变化幅度不大。室温下,钨铜合金硬度、抗压强度和相对密度随晶粒尺寸的增大而减小,电导率则随晶粒尺寸的增大而升高,当晶粒尺寸由0.52μm变为20.69μm时,硬度、抗压强度、相对密度、电导率分别从HB 202,1232.17 MPa,99.2%,42.8%IACS变化为HB 179,1116.31 MPa,97.5%,44.6%IACS;而高温下,粗晶粒钨铜合金表现出良好的抗蠕变性能,随晶粒尺寸的减小合金的蠕变寿命变短,晶粒尺寸由0.52μm变为20.69μm时,合金蠕变寿命由26.3 h持续到87.2 h。细晶钨铜合金相对于粗晶的首击穿烧蚀面积大,击穿坑多而浅,100次电击穿后,表面均有铜的飞溅沉积,出现大量的孔洞和裸露的钨骨架,晶粒越粗该现象越明显。

网络首发时间: 2016-10-11 11:48

稀有金属 2018,42(01),59-66 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy16080018

晶粒尺寸与钨铜合金相关性的研究

高红梅陈文革连凯张飞奇

西安理工大学材料科学与工程学院

摘要：

采用不同粒度钨粉和循环热处理分别制备出不同晶粒尺寸的Cu W70合金。利用光学显微镜 (OM) 、扫描电子显微镜 (SEM) 和拉压万能试验机研究合金的组织结构和性能, 结果表明:采用粒径分别是80 nm, 6⁸μm和30³5μm的钨粉, 经混料成型和熔渗烧结可以制备出晶粒尺寸分别为0.52, 5.18和20.69μm的钨铜合金;1300℃多次烧结或热处理可以改变钨铜合金的晶粒尺寸, 其规律是随热处理次数的增加晶粒尺寸先减小后增大, 但变化幅度不大。室温下, 钨铜合金硬度、抗压强度和相对密度随晶粒尺寸的增大而减小, 电导率则随晶粒尺寸的增大而升高, 当晶粒尺寸由0.52μm变为20.69μm时, 硬度、抗压强度、相对密度、电导率分别从HB 202, 1232.17 MPa, 99.2%, 42.8%IACS变化为HB 179, 1116.31 MPa, 97.5%, 44.6%IACS;而高温下, 粗晶粒钨铜合金表现出良好的抗蠕变性能, 随晶粒尺寸的减小合金的蠕变寿命变短, 晶粒尺寸由0.52μm变为20.69μm时, 合金蠕变寿命由26.3 h持续到87.2 h。细晶钨铜合金相对于粗晶的首击穿烧蚀面积大, 击穿坑多而浅, 100次电击穿后, 表面均有铜的飞溅沉积, 出现大量的孔洞和裸露的钨骨架, 晶粒越粗该现象越明显。

关键词：

钨铜合金;晶粒尺寸;组织性能;循环热处理;电弧烧蚀;

中图分类号： TG142.1

作者简介：高红梅 (1991-) , 女, 陕西商洛人, 硕士, 研究方向:新型功能材料、粉末冶金;E-mail:1364044661@qq.com;;陈文革, 教授;电话:029-82312383;E-mail:wgchen001@263.net;

收稿日期：2016-08-14

基金：陕西省重点研发项目 (2017ZDXM-GY-050);西安市科技支撑项目 (CXY1342 (2) );国家自然科学基金重点项目 (50834003) 资助;

Relativity between Grain Size and Tungsten Copper Alloy

Gao Hongmei Chen Wenge Lian Kai Zhang Feiqi

School of Materials Science and Engineering, Xi'an University of Technology

Abstract：

Cu W70 alloy with different grain sizes was prepared by tungsten powder with different sizes and cyclic heat treatment. The structure and properties of alloy were studied by optical microscopy ( OM) , scanning electron microscopy ( SEM) , tension and compression testing machine. The results showed that tungsten powder of which particle sizes were 80 nm, 6 ~ 8 μm and 30 ~ 35 μm, after mixing molding and infiltration sintering, could be used to produce tungsten-copper alloy, of which grain sizes were 0. 52 μm, 5. 18μm and 20. 69 μm, respectively. Grain size of tungsten-copper alloy could be changed under repeatedly sintering or heat treatment at 1300 ℃, and the law was that the grain size of the alloy decreased and then increased with the increase of the number of heat treatment, but the change was limited. At room temperature, with grain size increasing, the hardness, compressive strength and relative density of tungsten copper alloy decreased, the conductivity increased with the grain size increasing, when the grain size increased from 0. 52 to 20. 69 μm, the hardness, compressive strength, relative density and electrical conductivity changed from HB 202, 1232. 17 MPa, 99. 2%, 42. 8% IACS to HB 179, 1116. 31 MPa, 97. 5%, 44. 6% IACS, respectively. However, the high temperature, coarsegrained tungsten-copper alloy exhibited good creep resistance, and with decreasing of grain size, the creep life of alloy decreased; when the grain sizes became from 0. 52 to 20. 69 μm, the creep life of alloy changed from 26. 3 to 87. 2 h. Compared to the coarse grained tungsten-copper, the first breakdown area of fine-grained tungsten-copper alloy were larger, and the breakdown pit was more and shallower than that of coarse grain, After 100 times ablation, each sample surface had copper spatter and deposition, and a large number of holes and exposed tungsten skeleton were produced. Furthermore, the coarser grains, the more obvious the phenomenon was.

Keyword：

W-Cu alloy; grain size; structure properties; cyclic heat treatment; arc ablation;

Received： 2016-08-14

著名的Hall-Pecth^[1] (σ_y=σ₀+K_d^-1/2, σ_y为材料强度;σ₀为移动单个位错时产生的晶格磨擦阻力;K为常数;d为平均晶粒直径) 公式给出了材料的强度与晶粒尺寸的相互关系, 即材料的性能随晶粒尺寸的变化而发生改变。例如, Morris D G和Morris M A^[2]对Cu Cr5合金在500 k N下热挤压后热处理, 获得Cu Cr5合金, 当Cr晶粒尺寸为20 nm时, 材料的屈服强度为790 MPa, 硬度为HV250, 晶粒尺寸增大到40~45 nm时, 材料的屈服强度减小为660 MPa, 硬度下降为HV 205。张刘杰等^[3]在气雾化Fe-12Cr-2.5W-0.4Ti-0.25Y粉末中添加1%的Fe₂O₃粉末, 经过热挤压-轧制-热处理工艺制得细晶粒的铁基合金, 使基体的室温拉伸强度和屈服强度分别从834和682 MPa提高到1257和1144 MPa。Moon等^[4]将铜粉、钨粉球磨到50 nm左右, 然后将钨粉与少量诱导铜粉进行烧结后, 可得到纳米级的钨骨架, 渗铜后制备的WCu20硬度达HB 270, 抗弯强度1450 MPa。姚正军和孙扬善等^[5]研究了晶粒大小不同的Fe₃Al轧制板材的拉伸和蠕变性能, 在600℃下, 试样的晶粒尺寸从20μm增大到95μm时, 其抗拉强度由444 MPa增加到540 MPa, 蠕变寿命由40 h延长到170 h。刘超等^[6]制备的WC-Co硬质合金, 当添加粗晶WC粒径为1μm时, 合金的硬度由未添加粗晶WC时的HV 1930降低至HV 1800, 断裂韧性由12.85 MPa·m^1/2提高至15.05 MPa·m^1/2, 综合力学性能达到最佳平衡。苏勇等^[7]分别用电弧熔炼和机械合金化方法制备了粗晶和纳米晶Fe-0.5Si合金, 1000℃纯氧中粗晶氧化膜厚度为550μm, 纳米晶氧化膜厚度1600μm, 粗晶提高了Fe-0.5Si合金的抗高温氧化性能。聂保新^[8]采用阶段性均匀化热处理方法使铸轧AZ31晶粒尺寸由9.5μm长大到27.8μm, 粗晶AZ31在450℃和1×10^-3s^-1条件下达到最大延伸率106.7%。

可见, 针对在不同温度下使用的材料, 需要控制合适的晶粒尺寸。钨铜合金综合了钨和铜的诸多优点, 具有高的强度、硬度、良好的导电、导热性、低的热膨胀系数、良好的耐电弧侵蚀性、耐高温氧化性及抗熔焊性等特点^[9,10], 广泛用做电触头、电加工电极、火箭导弹的喷嘴喉衬及燃气舵等高温条件下, 也有用做电子封装及热沉、高密度合金等常温条件下^[11]。本文通过用不同粒径的原材料和循环热处理的手段制备出不同晶粒尺寸的钨铜合金, 系统研究晶粒尺寸对该合金组织与性能的影响, 以期获得不同应用条件下理想的晶粒尺寸。

1 实验

将几何学粒径分别是80 nm, 6~8μm, 30~35μm的钨粉与50~70μm的铜粉机械混合, 冷压成型时通过控制压坯高度法 (约600 MPa左右的压制压力, 不同粒度粉末冷压成型时压制压力不同) 得到压坯密度是理论密度85%的生坯, 然后在1350℃于氢气保护下保温1 h, 熔渗铜烧结制得不同晶粒尺寸的Cu W70合金。反复热处理是将商用的Cu W70合金 (钨粉粒径为6~8μm) 在GSL1700X管式加热炉中于1300℃氮气保护气氛下保温2 h再冷却到室温, 如此循环为6次和9次, 试验中为防止粘结相铜的流出用刚玉砂填埋捣实。

GX71倒置金相显微镜观察样品的显微组织, 用10%铁氰化钾 (K₃[Fe (CN) ₆]) +10%氢氧化钠 (Na OH) +水腐蚀试样, 并用金相显微镜 (OM) 自带的采用人工截点法测定晶粒大小的软件测定试样的晶粒尺寸大小;采用D60K数字电导率测量仪测量样品的电导率;HB-3000型布氏硬度计对W70Cu30合金试样进行布氏硬度的测量, 实验载荷为750 kg, 压头钢球直径5 mm, 保压时间30 s;采用HT-2402计算机伺服控制材料试验机进行压缩试验;采用自行改制的蠕变试验机进行蠕变试验, 试样规格为9.0 mm×8.1 mm×4.7 mm, 试验温度为500℃, 载荷为545 MPa;采用HYJH-YY/20 k V型高压放电装置对不同晶粒尺寸的Cu W70合金在14 k V电压下于SF₆介质中进行电弧烧蚀实验;JSM-6700扫描电镜 (SEM) 来观察压缩断口和蠕变断口及电弧烧蚀形貌, 以分析其断裂机制和抗电弧烧蚀性能。

2 结果与讨论

2.1 不同晶粒Cu W70合金显微组织观察与分析

图1为不同粒度钨粉制备的W70Cu30合金的金相显微照片。图1中灰黑色呈椭圆状的为钨晶粒, 粘结相铜则呈灰白色较为均匀地分布在W-W晶粒之间。由于钨铜的熔渗烧结是液相烧结, 熔渗时铜是以液态的形式出现的, 对晶粒尺寸的影响不大, 因此只考虑钨相的晶粒尺寸。通过软件计算分析可知, 钨粉粒度为80 nm所制的W70Cu30合金 (图1 (a) ) 中W平均晶粒尺寸d=0.52μm, 由于粉末颗粒细小, 表面能大容易发生团聚, 且钨铜两相的润湿是不完全的, 烧结时固体颗粒与固体颗粒接触黏结, 使得铜的分布相较于图1 (b, c) 而言均匀性稍微有所下降;当钨粉粒度为6~8μm时, 合金 (图1 (b) ) 中W平均晶粒尺寸d=5.18μm, 铜相分布均匀;当钨粉粒度为30~35μm时, 合金 (图1 (c) ) 中W平均晶粒尺寸达到d=20.69μm, 合金中铜相分布的均匀性相较于图1 (b) 有所降低。从图中也可以很明显地看到, 合金的晶粒尺寸随着钨粉粒度的增加而增大。

图2为Cu W70合金反复热处理不同次数后的金相显微照片。图2中椭球状的为钨, W-W之间的粘结相则为铜, 钨铜合金原始试样 (图2 (a) ) 的平均晶粒尺寸为5.18μm, 反复热处理6次后, 试样 (图2 (b) ) 的平均晶粒尺寸减小为3.66μm, 继续增加热处理次数, 晶粒反而增大, 热处理9次后, 试样 (图2 (c) ) 的平均晶粒尺寸为4.69μm。对比热处理不同次数的金相照片, 可以看出, 晶粒尺寸呈现出先减小后增大的趋势。原因是W晶粒尺寸取决于W粉的原始粒度、W-W颗粒连接度、烧结条件, 以及钨在粘结相中的溶解度^[12]。采用粒度细的W粉^[13]、较低的W含量使W晶粒连接度降低^[14]、快的冷却速度都有助于得到较均匀的细W晶粒。在对试样进行反复热处理时, 原始粉末粒度、烧结条件、钨在铜中的溶解度是相同的, 因此W晶粒尺寸只与W-W颗粒连接度有关。少次数 (6次) 的热处理, 合金中渗透到W-W晶界的铜粘结相体积增加, 且粘结相可更充分地渗入到W-W晶界中, 使W-W界面在合金组织中的比例减少, W-W颗粒连接度降低, 获得了较细的钨晶粒;继续增加热处理次数 (9次) , 试样在高温下长时间保温使得晶粒长大, 进而获得了晶粒尺寸较大的钨晶粒。

图1 不同粒度钨粉制备的Cu W70合金金相照片Fig.1 OM images of Cu W70 alloy prepared by different sizes of tungsten powder

(a) 80 nm; (b) 6~8μm; (c) 30~35μm

图2 Cu W70合金循环热处理不同次数后的金相照片Fig.2 OM images of Cu W70 alloy after cyclic heat treatment different times

(a) 0 time; (b) 6 times; (c) 9 times

2.2 Cu W70合金室温压缩性能

图3所示为不同晶粒尺寸Cu W70合金室温下压缩应力 (σ) -应变 (ε) 曲线。从曲线可以看出, 随应变的增加应力也在连续的升高, 当应变达到一定值时, 曲线不再上升, 图3 (a) 中晶粒尺寸为0.52μm的曲线在断裂前应变量较小, 晶粒尺寸为5.18, 20.69μm的曲线在断裂前的应变量相较于0.52μm则有所增加。当晶粒尺寸为0.52, 5.18, 20.69μm时, 其压缩变形量分别为6.23%, 19.65%, 26.75%, 即晶粒尺寸越大, 合金的塑性变形越明显, 试样的压缩变形量增加。抗压强度随晶粒尺寸的增大则呈现出减小的趋势, 晶粒尺寸为0.52, 5.18, 20.69μm时, 合金的抗压强度分别为1232.17, 1147.81, 1116.31 MPa, 其原因是晶粒细化后晶界增加, 晶界阻碍位错滑移作用加强, 位错在晶界处塞积导致合金的抗压强度升高。但压缩率随晶粒尺寸减小则减小的原因是同样比例的钨铜合金, 晶粒尺寸较小的W相周围铜相也少, 导致在压缩加载时主要由钨骨架承担载荷, 晶粒粗大的材料, W-W颗粒间的缝隙较大, 熔渗后单位体积上钨钨颗粒间的粘结相铜较细晶材料多, 大量的粘结相铜起承载作用并在压缩时产生一定的塑性变形, 宏观上表现为压缩变形量的增加, 钨颗粒大小对铜相分布的影响及压缩变形过程形象的模拟如图3 (b) 所示。

图4所示为不同晶粒尺寸Cu W70合金室温压缩断口形貌。从图4 (a) , (b) 中可以看出, 合金的断口形貌较为平坦, 且有发亮的结晶状断面, 可以清晰地看见灰白色的脉络状撕裂棱组织, 呈现出脆性断裂的特征, 断裂主要是W-Cu粘结相断裂和W-W界面断裂。图4 (c) 压缩断口形貌以铜粘结相的延性断裂为主。由图3 (b) 知, 单位体积上粗晶W-W颗粒间的粘结相铜多, 压缩时大量的粘结相铜起承载作用并产生一定的塑性变形, 从图4 (c) 也可以看到铜相塑性滑移的痕迹, 继续增加载荷, 塑性滑移使得铜相发生延性撕裂。随晶粒尺寸的增大, 断裂模式从脆性断裂转向延性撕裂, 这与前面压缩实验中粗晶塑性好相一致。在宏观条件下可以观察到其断裂方向与横截面成45°角, 在试验过程中试样处于单向压缩应力状态, 最大切应力发生在与横截面成45°角的斜截面上, 当此斜截面上的切应力达到极限应力时, 材料在该方向上发生剪切破坏, 最终发生断裂。

图3 不同晶粒尺寸Cu W70合金室温压缩应力-应变曲线及压缩变形示意图Fig.3 Compressive stress-strain curves at room temperature (a) and compression schematic (b) of Cu W70 alloy with different grain sizes

图4 不同晶粒尺寸Cu W70合金室温压缩断口形貌Fig.4 Compression fracture morphology at room temperature of Cu W70 alloy with different grain sizes

(a) 0.52μm; (b) 5.18μm; (c) 20.69μm

2.3 Cu W70合金高温蠕变性能

图5所示为不同晶粒尺寸的钨铜合金在温度为500℃, 应力水平为545 MPa的条件下的时间 (t) -应变 (ε) 曲线。从图5中可清晰地看出, 在高温条件下, 不同晶粒尺寸的钨铜合金在一定的时间段内均会随着加载时间的延长而发生缓慢的塑性变形, 即蠕变, 但增加幅度有所不同。从图5可以看出, 随晶粒尺寸的减小合金的蠕变寿命变短, 晶粒尺寸由0.52μm变化到20.69μm时, 合金的蠕变寿命由26.3 h持续到87.2 h;同一时间下随着晶粒尺寸的增加, 钨铜合金的蠕变变形量降低, 表明晶粒粗大的试样具有较好的蠕变性能。对比曲线 (2) , (3) 可看出, 在稳态蠕变阶段, 曲线的斜率随晶粒尺寸的增大有减小的趋势, 即就是稳态蠕变变形速率随晶粒尺寸的增大而减小, 经计算, 晶粒尺寸为5.18μm时, 稳态蠕变变形速率为0.00112 h^-1, 晶粒尺寸增大到20.69μm时, 蠕变变形速率减小为0.00069 h^-1, 这也验证了粗晶的蠕变性能好。原因是高温、高应力时, 晶界畸变能大, 回复动力大, 易软化, 滑移容易进行, 细晶晶界多, 位错在晶界处塞积阻碍晶界滑动, 故粗晶晶界滑移比细晶容易, 能承受较大的蠕变变形而不发生断裂, 宏观上表现为较好的抗蠕变性。

图5 不同晶粒尺寸钨铜合金的高温蠕变曲线Fig.5 High temperature creep curves of Cu W70 alloy with dif-ferent grain sizes

图6所示为不同晶粒尺寸的Cu W70合金蠕变断口形貌。与室温断口相比, 高温下断口的清晰度变差, 这是在表面形成氧化物的缘故, 原来室温下的河流状或舌状或撕裂棱等变成高温下高低起伏的不规则凸起或凹坑, 这是因为棱角处的曲率半径大, 表面能高, 在缓慢的蠕变过程中首先被氧化、脱落, 而晶粒尺寸越小, 这种现象越明显 (比较图6 (a) 和 (b) ) , 图6 (c) 因晶粒粗大中间相铜多则表现出明显的不同。为了证明上述判断, 对表面断口进行能谱 (EDS) 面扫分析, 结果显示Cu含量较高而钨含量则比较少, 表明发生断裂时主要是铜相的延性断裂, 另外有氧元素的存在, 说明表面被氧化。高温下试样蠕变断裂是因为温度高, 削弱了钨相和粘结相铜的界面结合强度, 当应力超过界面结合强度时, 在界面的缝隙处或空洞处形成显微裂纹, 随着变形量的增加, 裂缝沿整个界面扩展, 最终形成断裂, 同时铜相的剪切应力较钨相低, 发生断裂时所需的应力小, 当应力超过铜相的剪切应力时, 裂纹便在铜相上产生, 随着变形量的增加, 裂纹在铜相上扩展, 最终形成断裂, 就是粘结相铜的延性撕裂。

2.4 不同晶粒尺寸Cu W70的电弧烧蚀形貌

图7为不同晶粒尺寸的Cu W70合金14 k V电压下于SF₆介质中的首击穿和100次击穿形貌。由图7 (a~c) 的首击穿形貌可以看出, Cu W70合金表面不再光滑平整, 而是凹凸不平, 试样表面出现了烧蚀坑, 且随着晶粒尺寸的减小, 烧蚀面积大, 击穿坑多而浅。其次试样表面有明显的液滴状凸起 (见图7中矩形区域所示) , 对该凸起进行扫描能谱分析 (如图8所示) 可知, 此为铜相蒸发汽化沉积在基体上所致, 由此可知, 电弧击穿主要打在低熔点的铜相上, 这与文献[15]分析的首击穿有选择性相一致。当多次电击穿后 (图7 (d~f) ) , 合金表面均形成了一定面积的烧蚀区域, 此为每一次烧蚀斑点的累积重叠形成, 图7 (d) 烧蚀区域相较于图7 (e, f) 表面平整, 凹凸性不明显, 图7 (e) 表面形成了若干处烧蚀坑, 还可观察到低熔点的铜相在电弧作用下飞溅沉积形成的液滴状凸起, 以及裸露的钨骨架 (如图7 (e) 中箭头所示) , 图7 (f) 表面熔滴状的铜相凸起相较于图7 (d, e) 明显增多, 且铜相沉积不均匀的分散在试样表面。对比图7 (d~f) 可看出, 随晶粒尺寸的减小, 表面变得平整, 铜相沉积细小均匀, 烧蚀表面熔滴状铜减小。说明细晶Cu W70合金的电弧烧蚀程度要明显轻于粗晶Cu W70合金, 即细晶更耐烧蚀。原因是电弧优先在铜相聚积出不断地产生和熄灭, 细晶钨铜合金, 铜相分布比粗晶均匀, 散热快, 电弧作用分散, 烧蚀面积大, 因此烧蚀比较缓和;而粗晶合金铜相相对集中, 有部分铜相偏聚, 这便使得烧蚀围绕合金中富铜区域集中进行, 最终导致铜相的大量损失, 使试样烧蚀严重。

图6 不同晶粒尺寸的Cu W70合金蠕变断口形貌及相应区域的能谱分析Fig.6 Creep fracture morphology of Cu W70 alloy with different grain sizes and energy spectrum analysis of corresponding area

(a) 0.52μm; (b) 5.18μm; (c) 20.69μm

2.5 Cu W70合金基本物理性能

图9为Cu W70合金的硬度、电导率和相对密度随晶粒尺寸变化的关系曲线。从图9曲线中可以看出, 合金的硬度随着晶粒尺寸的增加呈降低趋势, 晶粒尺寸从0.52μm增加到20.69μm时, 合金的硬度从HB 202下降到HB 179, 下降了HB 23。这与室温下的强度试验结果相一致。合金的电导率随晶粒尺寸的增大而增大, 但变化不大, 晶粒尺寸从0.52μm增加到20.69μm时, 合金的电导率从42.8%IACS增大到44.6%IACS。细晶Cu W70合金电导率下降的原因一是由于晶粒细化, 使得晶界增多, 电子散射几率增大, 导致Cu相电导率下降, 进而使得钨铜合金整体导电性下降;二是因为随着钨粉晶粒尺寸的减小, 压制时的不均匀性逐渐变得明显, 烧结后W骨架中的通道容易闭合或堵塞, 最终导致试样中铜的富集或孔隙缺陷, W-W的连通性和铜相分布的连续性也就降低, 宏观上表现为材料电导率的下降。熔渗后合金的相对密度随晶粒尺寸的增大而减小, 但均达到了国标的要求 (≥96%) , 晶粒尺寸从0.52μm增加到20.69μm时, 合金的相对密度从99.2%减小到97.5%。这是因为钨粉的粉末粒径越小, 其比表面积越大, 粉末之间的接触界面变大, 烧结活性越高, 致密化速率也加快, 熔渗-烧结后体积会发生明显的收缩, 使得试样的密度较高, 而细小粒度的钨粉制备的钨铜合金的晶粒尺寸也小, 故合金的晶粒尺寸越小其相对密度越高。由图还可看出, 当晶粒尺寸为4.25~4.69μm时, 曲线相交, 故此晶粒尺寸的钨铜合金具有较理想的力学、物理综合性能。

图7 不同晶粒尺寸Cu W70合金14 k V电压下于SF6介质中首击穿和100次击穿形貌Fig.7 Morphology after first breakdown and 100 times breakdown of Cu W70 alloy with different grain sizes under 14 k V voltage and SF6medium first breakdown 0.52μm (a) , 5.18μm (b) , 20.69μm (c) ;100 times breakdown 0.52μm (d) , 5.18μm (e) , 20.69μm (f)

图8 不同晶粒尺寸Cu W70合金电弧烧蚀后图7中矩形区域的EDS谱图Fig.8 EDS spectra of Cu W70 alloy with different grain sizes after arc ablation in rectangular region of Fig.7

(a) 0.52μm; (b) 5.18μm; (c) 20.69μm

图9 Cu W70合金硬度、电导率、相对密度随晶粒尺寸变化的关系曲线Fig.9 Hardness and conductivity and relative density curves of Cu W70 alloy changing with grain sizes

3 结论

1.采用粒径分别是80 nm, 6~8μm, 30~35μm的钨粉, 经混料成型后于1350℃氢气保护气氛下熔渗烧结后制备出晶粒尺寸分别为0.52, 5.18, 20.69μm的钨铜合金;1300℃多次烧结或热处理可以改变钨铜合金的晶粒尺寸, 其规律是随热处理次数的增加先细化后增大, 热处理次数从6次增加到9次, 合金的晶粒尺寸由原始的5.18μm先细化到3.66μm后又增加到4.69μm, 但变化不大。

2.室温下, 钨铜合金相对密度、硬度和抗压强度随晶粒尺寸的增大而减小, 电导率则随晶粒尺寸的增大而升高, 当晶粒尺寸由0.52μm变为20.69μm时, 相对密度、硬度、抗压强度、电导率分别从99.2%, HB 202, 1232.17 MPa, 42.8%IACS变化为97.5%, HB 179, 1116.31 MPa, 44.6%IACS;而高温下, 粗晶粒的钨铜合金表现出良好的抗蠕变性能, 随晶粒尺寸的减小合金的蠕变寿命变短, 晶粒尺寸由0.52μm变化到20.69μm时, 合金蠕变寿命由26.3 h持续到87.2 h。

3.细晶钨铜合金相对于粗晶的首击穿烧蚀面积大, 击穿坑多而浅, 100次电击穿后, 表面均有铜的飞溅沉积, 出现大量的孔洞和裸露的钨骨架, 晶粒越粗该现象越明显。细晶铜相分散, 散热快, 烧蚀面积大, 烧蚀比较缓和;而粗晶合金铜相相对集中, 烧蚀在此区域集中进行, 最终导致铜相大量损失, 烧蚀严重。