張會杰，李繼文，魏世忠，潘昆明，王展，萬成

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超細晶W-Cu復合材料的熱擠壓與熱處理

張會杰1，李繼文1，魏世忠2, 3，潘昆明2, 3，王展1，萬成1

(1. 河南科技大學材料科學與工程學院，洛陽 471023；2．河南省耐磨材料工程技術研究中心，洛陽 471003；3. 河南省有色金屬共性技術協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽 471023)

以水熱共還原法制備納米W-30% Cu復合粉末，通過真空燒結(jié)和包套熱擠壓制備超細晶W-Cu復合材料，并進行后續(xù)熱處理。采用X射線衍射、高分辨率透射電鏡、掃描電鏡等觀察和分析W-30% Cu復合粉體和合金的成分及組織形貌，研究熱擠壓及后續(xù)退火處理對材料致密度、電導率和硬度等性能的影響。結(jié)果表明：水熱產(chǎn)物為納米級(10~15 nm)規(guī)則的類球形結(jié)構(gòu)，經(jīng)煅燒及共還原后得到的W-30% Cu復合粉末粒度細小，呈特殊的W包覆Cu結(jié)構(gòu)，顆粒分布均勻；復合粉末在1050 ℃真空燒結(jié)后相對密度只有91.5%，經(jīng)熱擠壓后致密度提高到97.07%，布氏硬度達到223，組織細密，W相和Cu相分布均勻，鎢顆粒細小(1~3 μm)，形成典型的鎢骨架和銅網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。經(jīng)過后續(xù)的退火處理，鎢銅分布更均勻，鎢粒徑進一步減小，材料的致密度和電導率都更高，分別為98.82%和43.31% IACS，形成良好的綜合性能指標匹配。

水熱共還原；真空燒結(jié)；超細晶鎢銅復合材料；包套熱擠壓；熱處理；致密化

W-Cu復合材料兼具鎢和銅的優(yōu)良特性，具有高強度、高硬度、良好的耐電弧燒蝕性和抗熔焊性，被認為是極具發(fā)展?jié)摿蛻们熬暗男滦凸δ懿牧希瑥V泛應用于大規(guī)模集成電路和微波器件中的散熱元件、功率電子器件和微電子器件中的電子封裝材料、微波器件的屏蔽材料、真空開關電觸頭材料、電極以及熱沉材料等，在軍事上也有很多應用，如電磁炮導軌，導彈的噴管喉襯，藥型罩等高溫部件[1?6]。但采用傳統(tǒng)的熔滲法或液相活化燒結(jié)工藝制備鎢銅復合材料，很難獲得高致密度和優(yōu)良的綜合性能(主要為電導率和硬度)[7?8]。研究發(fā)現(xiàn)，鎢銅復合粉末的粒度以及均勻程度嚴重影響塊體材料的組織與性能[9?10]。熊湘君等[11]和MOON等[12]分別對鎢粉和銅粉粒度對致密化過程的影響進行了研究，當鎢粉粒度為4 μm時可制得密度為15.38 g/cm3的W-20Cu合金；粒度為50 nm的機械合金化鎢銅粉末在1 100 ℃燒結(jié)，致密度達到98%，組織細小均勻。AHMADI等[13]用鎢銅氧化物共還原獲得平均粒徑為72.9 nm的鎢銅復合粉末，于1 200 ℃燒結(jié)后幾乎達到全致密。這些研究肯定了納米粉末是細化晶粒和提高合金性能的發(fā)展方向。水熱合成反應在高溫高壓的密閉容器中進行，在制備晶粒發(fā)育完整、粒度分布均勻的納米晶粉體方面，具有其它方法無法比擬的優(yōu)勢。采用納米粉末能否制備高性能的納米或細晶W-Cu合金材料，關鍵取決于燒結(jié)工藝[14]。普通液相燒結(jié)由于溫度高、燒結(jié)時間長，易造成晶粒長大，因此，本研究采用低溫燒結(jié)工藝，燒結(jié)后的鎢銅材料密度不高，需要通過后續(xù)的變形和熱處理進一步提高其致密度和性能。呂大銘等[15]對W-Cu合金進行熱等靜壓處理，材料性能明顯改善。王爾德等[16]采用熱靜液擠壓方法替代熱等靜壓，有效地提高了鎢銅復合材料的致密度、強度、伸長率和導電性。李達人等[17?18]研究了粉末壓坯直接包套熱擠壓致密工藝，制備出性能優(yōu)良的鎢銅棒材和絲材。本文作者采用水熱共還原法制備鎢銅復合粉末，經(jīng)低溫真空燒結(jié)后再進行包套熱擠壓，并進行后續(xù)退火處理，分析與測試復合材料顯微組織以及致密度、電導率和硬度等性能，研究結(jié)果對于制備高致密度與具有良好綜合性能的鎢銅復合材料具有指導意義。

1 實驗

1.1 鎢銅復合粉末的制備

以工業(yè)級的Na2WO4·2H2O和Cu(NO3)2·3H2O為原料，采用水熱共還原法制備鎢銅復合粉末。首先按W-30% Cu的成分(質(zhì)量分數(shù))稱量Na2WO4·2H2O和Cu(NO3)2·3H2O，分別配制制成溶液，然后將2種溶液混合，滴加氨水調(diào)節(jié)至pH=5.2。將混合溶液裝入容積為100 mL的高壓反應釜中，填充度為80%，在180 ℃電熱恒溫鼓風干燥箱中保溫20 h。倒去上清液，將所得的沉淀物進行過濾、洗滌，以除去殘留的鈉離子。

水熱合成產(chǎn)物在550 ℃馬弗爐中煅燒2 h，得到混合氧化物。將氧化物粉末裝入剛玉舟中，在四管還原爐中800 ℃溫度下還原1 h，冷卻后取出，得到W-30Cu鎢銅復合粉末。還原介質(zhì)為H2/N2混合氣體，H2與N2體積比為3:1。

1.2 鎢銅復合材料的制備及致密化

將W-30% Cu復合粉體裝入定制的橡膠模具中，密封后放入高壓缸內(nèi)加壓成形。冷等靜壓機預設壓力為280 MPa，保壓30 min。泄壓后，開模取出冷壓坯，冷壓坯為直徑35 mm的圓棒。壓坯在1050 ℃/1.5 h條件下真空燒結(jié)，所用設備為ZMY-50-15型鉬絲燒結(jié)爐。

將燒結(jié)坯放入內(nèi)徑35 mm、壁厚5.5 mm的45#鋼套，孔隙部分用剛玉粉填充；將包套放置在箱式電阻爐中，2 h內(nèi)加熱到1 050~1 100 ℃，保溫30 min，然后進行熱擠壓。熱擠壓設備為315 t四柱式油壓機，擠壓速率為10 mm/s，模具在擠壓前預熱至200 ℃；凹模入口直徑為50 mm，出口直徑為17 mm，擠壓比為8.5，采用石墨?機油作為潤滑劑。

擠壓坯分別在800 ℃/1 h和900 ℃/1 h條件下進行退火熱處理。

1.3性能與組織表征

采用阿基米德原理測定W-30% Cu復合材料的密度；利用FD101型數(shù)字便攜式渦流電導率儀測試材料的電導率，所測試樣為直徑12 mm、長度10 mm的圓柱體；采用THB-3000E電子布氏硬度計測定材料的布氏硬度，設置載荷為7.5 kN，壓頭直徑為5 mm，保壓30 s。為了準確，取多次測量結(jié)果的平均值。

采用D8 ADVANCE型X線衍射儀進行復合粉末物相分析；利用6700F場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)和JEM-2100高分辨透射電鏡(HRTEM)對粉體形貌特征進行觀察與分析；合金經(jīng)打磨與拋光后，利用VEGA 3 SBH鎢燈絲掃描電鏡觀察材料的縱橫截面形貌，處理試樣所用腐蝕劑為：10 g K3[Fe(CN)6] + 10 g NaOH + 100 mL蒸餾水。

擠壓坯在AG-I250KN精密萬能材料實驗機上進行室溫拉伸試驗，并觀察拉伸斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎢銅復合粉體

圖1所示為水熱共還原法制備的鎢銅復合粉體XRD譜。圖中僅有W和Cu的衍射峰，無其它雜峰，表明在H2/N2混合氣體氣氛中及800 ℃/1 h條件下，所有過程產(chǎn)物全部還原為鎢和銅。

圖1 W-30Cu復合粉末的XRD譜

圖2所示為水熱合成、煅燒以及共還原所得粉末的透射電鏡形貌圖。從圖2(a)可以看出：水熱反應所得的沉淀物粉體形貌呈規(guī)則的球形，粒度分布較均勻，粒徑范圍為10~15 nm，為納米顆粒。水熱產(chǎn)物經(jīng)過煅燒后，所得氧化物粉末(主要為CuWO4?x)形貌為規(guī)則的六邊形和球形，粒度在40~60 nm之間，顆粒分布均勻。還原后所得粉體形貌變化不大，但顆粒明顯長大，粒度為100~200 nm，團聚較嚴重。

圖2 水熱共還原法制備W-Cu復合粉各階段產(chǎn)品的TEM圖像

Fig.2 TEM images of three kinds of prepared powders (a) Hydrothermal powders; (b) Calcined powders;(c) Reduced powders

圖3所示為還原粉末的高分辨透射電鏡圖像，還原粉體中同時還存在粒度為20~30 nm的小顆粒，可以很明顯地看出呈一種獨特的包覆結(jié)構(gòu)，周圍分散著更小的電弧顆粒。測出包覆結(jié)構(gòu)的核內(nèi)(A)的晶面間距為0.220 8 nm，包覆層(B)的晶面間距為0.249 0 nm，分別對應標準卡片的Cu(111)和W(110)晶面，W和Cu兩相之間形成半共格界面[9]。分析認為，還原過程中細顆粒的WOx由于比表面積大，表面活性高，易與水蒸氣化合形成揮發(fā)性的水合氧化鎢而發(fā)生氣相遷移，氣相遷移過程中還原出來的W在先還原出來的Cu顆粒表面成核，從而形成特殊的W包覆Cu結(jié)構(gòu)。然而這種鎢銅間的包覆并不“牢靠”，經(jīng)一段時間的超聲震蕩后，Cu核與W包覆層分離，如圖3(b)和(c)所示。Cu核為較規(guī)整的球形，晶格取向相同。鎢包覆層呈現(xiàn)內(nèi)空形貌，很明顯是從球形Cu顆粒上剝落而來。

圖4所示為還原粉末的場發(fā)射掃描照片及成分分布。從圖4(a)可見：W-Cu復合粉末粒度均勻，存在嚴重的團聚現(xiàn)象，少量的較大顆粒由細小的初始顆粒團聚而成。圖4(b)的分析結(jié)果表明：較小的圓球狀結(jié)構(gòu)多為銅，較大的多邊形結(jié)構(gòu)多為鎢。從圖4(c)和(d)所示的鎢和銅的面分布可知，W-Cu復合粉體中W和Cu的分布較均勻，主要歸因于初始的水熱合成反應；另一方面，氧化物粉末CuWO4?x的同一顆粒中同時存在鎢原子和銅原子，而且煅燒和還原都選擇相對較低的溫度，也有利于W和Cu的均勻分布。

2.2 鎢銅復合材料

2.2.1 真空燒結(jié)

圖5所示為鎢銅復合粉末經(jīng)冷等靜壓和真空燒結(jié)后所得鎢銅復合材料的背散射形貌。由圖5可見：材料晶粒較大，顆粒間連接松散，小顆粒W粉分散在Cu基體中，局部存在W全部或部分包裹Cu的現(xiàn)象(如圖中箭頭所示)現(xiàn)象；W顆粒與Cu基體之間有許多明顯的孔隙(如圖中箭頭所示)，可能是由于鎢銅結(jié)合力弱，在制備金相樣品時鎢顆粒有脫落。水熱共還原法制備的鎢銅復合粉末顆粒較細小，銅相在燒結(jié)過程中更易產(chǎn)生液相流動和聚集使其分布不太均勻，甚至滲出嚴重，導致鎢銅顆粒間孔隙較多。測得其致密度只有91.5%。

圖3 W-30Cu復合粉末的高分辨透射電鏡圖像

圖4 W-30Cu復合粉末的SEM形貌(a)、能譜分析(b)及面掃描(c)，(d)

圖5 分別在1 050℃和1 100℃真空燒結(jié)所得鎢銅復合材料的背散射形貌

2.2.2 熱擠壓

圖6所示為W-Cu復合材料在不同溫度下保溫30 min后熱擠壓所得擠壓棒材的宏觀形貌。由圖6(a)可見，熱壓棒材均勻加熱到1 050 ℃保溫30 min之后熱擠壓，擠壓成品均勻、光滑；當溫度升高至1 080和 1 100 ℃時，擠壓坯中產(chǎn)生銅液相，隨著銅液的流動，在擠壓過程中銅相出現(xiàn)大塊的集聚甚至滲出，致使擠壓出來的坯料出現(xiàn)彎曲，如圖6(b)所示；同時，由于加熱溫度過高，且包套內(nèi)部非真空，氣體的存在致使包套坯料出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，擠壓時很容易出現(xiàn)炸裂、開花，如圖6(c)所示。所以只能在1050℃保溫30 min后進行熱擠壓。

圖7所示為于1 050 ℃保溫30 min后熱擠壓的鎢銅復合材料棒材的縱橫截面SEM形貌。圖7(b)中箭頭所示方向為擠壓方向。從圖7(a)和(b)可看到：擠壓后材料的組織細密，鎢銅分布均勻，無明顯的孔隙。從圖7(b)可見沿擠壓方向有明顯條狀的銅聚集帶，分析認為是擠壓過程中銅變形路線。從其放大圖(圖(b)右上角)可看出銅的聚集區(qū)存在極細小的鎢顆粒。從圖7(c)和(d)可知：與橫截面相比，縱截面上鎢銅顆粒分布更均勻，W顆粒的粒度更細小(1~3 μm)，均勻地分散在銅基體中；銅相明顯被拉長，鎢相變形不明顯，這是因為鎢為硬質(zhì)相，在擠壓過程中硬質(zhì)的鎢相被銅相包裹，與柔軟的銅相接觸。銅相在擠壓過程中協(xié)調(diào)變形，即通過銅相熔融軟化形成的毛細管力促進W顆粒重排和填充孔隙，起到致密化的作用。

圖6 不同加熱溫度下擠壓成品的宏觀照片

圖7 鎢銅復合材料熱擠壓棒材的截面形貌

圖8所示為于1 050 ℃保溫30 min后熱擠壓的鎢銅復合材料的SEM形貌及其面掃描圖。由圖可見擠壓后坯料的組織細密，鎢銅分布均勻，無明顯孔隙。EDS測得W和Cu的質(zhì)量分數(shù)分別為68%和32%，與制備的鎢銅復合材料的理論值相近，說明水熱共還原中鎢與銅的回收率相等，工藝路線可行。RYU等[19]的研究表明，互不相溶系內(nèi)不同顆粒組分如W-Cu顆粒之間的結(jié)合界面對材料的燒結(jié)性能影響很大；粉體壓坯的燒結(jié)致密化取決于粉末本身的粒度和粉末混合的均勻程度。由于水熱共還原法制得的鎢銅復合粉末顆粒細小，達到納米級別，粉末活性大，大大增強了W顆粒重排的驅(qū)動力(表面張力和毛細管力)進而縮短重排距離[20]。同時，擠壓前的1 050 ℃/30 min保溫過程中，雖未超過銅的熔點溫度(1 083 ℃)，但高的粉末活性促使銅相熔融軟化加劇，在擠壓過程中塑變流動性良好的銅相迅速填充到鎢?鎢顆粒之間的孔隙，形成完整的銅網(wǎng)絡，從而有效提高材料的致密度和組織均勻性。

圖9所示為于1 050 ℃熱擠壓的鎢銅復合材料拉伸斷口形貌。從圖9可以看出，斷口呈典型的韌窩斷口形貌，這表明熱擠壓棒材具有一定的塑性變形能力?；wCu相(白色)以網(wǎng)狀的形式分布在W顆粒(深色)周圍，韌窩稠密，斷裂過程中形成許多細密、彎曲的顯亮襯度的撕裂棱；而脆性的W顆粒主要發(fā)生沿晶斷裂，即W顆粒從Cu相網(wǎng)絡中拔出，斷裂面凹凸不平。

2.2.3 退火熱處理

圖10所示為分別在800 ℃和900 ℃保溫1 h退火處理后的鎢銅復合材料背散射掃描照片。與熱處理前組織相比，二次加熱使鎢、銅兩相發(fā)生顆粒重排，鎢銅分布更均勻、致密；通過熱處理，材料中W包覆Cu的現(xiàn)象減弱，而且鎢相的平均顆粒尺寸明顯減 小。退火溫度對鎢銅合金顯微組織影響不大，只是在900 ℃下退火后的組織更加致密與均勻。

圖8 鎢銅復合材料熱擠壓棒材的SEM形貌及面掃描分析

圖9 鎢銅復合材料熱擠壓棒材的拉伸斷口形貌

圖10 不同溫度下退火后的鎢銅合金棒材截面形貌

表1 所列為擠壓棒材及其在800 ℃和900 ℃熱處理1 h后的密度、電導率和布氏硬度。熱處理前材料的各項性能都較低，熱處理后材料的密度、電導率和布氏硬度都提高。熱處理后鎢銅兩相分布更加均勻，致密化程度提高，材料密度為14.18 g/cm3，相對密度達到98.82% (W-30% Cu復合材料的理論密度為14.35 g/cm3)。

從表1還可看出：鎢銅復合材料在900 ℃下熱處理后電導率由40.5%IACS提高到43.31%IACS。這是因為通過熱處理，可消除擠壓過程中形成的殘余應力，細化晶粒，使W/Cu兩相結(jié)合更緊密，從而提高電導率；同時，熱處理弱化了電子漫散射效應，有利于電子的傳輸，使得電導率增加。熱擠壓后的鎢銅復合材料布氏硬度達到223，較國標GB/T 8230—2003對鎢銅合金電導率的要求提高近50[21]。而經(jīng)過熱處理后硬度降低，熱處理溫度為900 ℃時，材料的布氏硬度降到214。雖說熱處理后材料孔隙度和晶粒度減小，使W顆粒和Cu顆粒相互之間結(jié)合更為緊密，但退火消除了材料內(nèi)部的應力，布氏硬度略有降低，但仍遠高于國家標準。

表1 不同溫度下熱處理后的鎢銅復合材料性能

3 結(jié)論

1) 采用水熱共還原法制備納米W-30% Cu復合粉末，水熱產(chǎn)物為規(guī)則的球形顆粒，粒度分布均勻，為10~15 nm。550 ℃下煅燒后所得氧化物粉末為規(guī)則的六邊形和圓形，粒度為40~60 nm。在800 ℃/1 h條件下共氫還原后，全部還原為鎢和銅。粉末顆粒細小，鎢銅兩相分布均勻，粒徑為100~200 nm，更細小的粉體粒徑為20~30 nm，呈獨特的鎢包覆銅結(jié)構(gòu)。

2) 納米鎢銅復合粉末經(jīng)冷等靜壓及真空燒結(jié)制備的復合材料，晶粒較大，顆粒間連接松散，W顆粒與Cu基體之間有許多明顯的孔隙，致密度只有91.5%。

3) 燒結(jié)坯在1 050 ℃保溫0.5 h后熱擠壓，致密度提高到97.07%，布氏硬度達到223。擠壓坯組織細密，W相和Cu相分布均勻，鎢顆粒細小(1~3 μm)，形成典型的鎢骨架和銅網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

4) 擠壓坯經(jīng)后續(xù)退火熱處理后，組織更加致密，致密度和電導率分別達到98.82%和43.31%IACS，硬度略有降低，仍遠遠超過有關國家標準的要求。

REFERENCES

[1] 周武平, 呂大銘. 鎢銅材料應用和生產(chǎn)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 粉末冶金材料科學與工程, 2005, 10(1): 21?25. ZHOU Wuping, Lü Daming. Development of application and production in W-Cu materials[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2005, 10(1): 21?25.

[2] HONG S H, KIM B K. Fabrication of W-20wt% Cu composite nanopowder and sintered alloy with high thermal conductivity[J]. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2003, 57(18): 2761?2767.

[3] LI Y P, QU X H, ZHENG Z S, et al. Properties of W-Cu composite powder produced by a thermo-mechanical method[J]. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2003, 21(5/6): 259?264.

[4] 陳文革, 丁秉均. W-Cu觸頭材料的電壽命研究[J]. 電工材料, 2003(3): 21?24. CHEN Wenge, DING Bingjun. A study on electric-lifetime of W-Cu contacts materials[J]. Electrical Engineering Materials [J]. 2003(3): 21?24.

[5] GERMAN R M, HENS K F, JOHNSON J L. Powder metallurgy processing of thermal management materials for microelectronic applications[J]. The International Journal of Powder Metallurgy, 1994, 30(2): 205?215.

[6] 王志法, 劉正春, 姜國圣. W-Cu 電子封裝材料的氣密性[J]. 中國有色金屬學報, 1999, 9(2): 324?326. WANG Zhifa, LIU Zhengchun, JIANG Guosheng. Hermeticity of W-Cu composites for semiconductor package[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999, 9(2): 324?326.

[7] LI Binghu, KANG Zhanying, CHEN Wenge, et al. Preparation of nanosized W/Cu composite powder by sol-gel technique[J]. Rare Metals, 2005, 24(2): 170?173.

[8] SHI Xiaoliang, YANG Hua, WANG Sheng. Spark plasma sintering of W-15Cu alloy from ultrafine composite powder prepared by spray drying and calcining-continuous reduction technology[J]. Materials Characterization, 2009, 60(2): 133?137.

[9] MA Douqin, XIE Jingpei, LI Jiwen, et al. Synthesis and hydrogen reduction of nano-sized copper tungstate powders produced by a hydrothermal method[J]. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2014, 46: 152?158.

[10] 趙晶晶, 李繼文, 張盤龍, 等. 水熱合成?共還原法制備W-20%Cu復合粉體及其組織結(jié)構(gòu)[J]. 粉末冶金材料科學與工程, 2014, 19(4): 628?634. ZHAO Jingjing, LI Jiwen, ZHANG Panlong, et al. Microstructure of W-20%Cu composite powders prepared by hydrothermal synthesis combined with co-reduction method[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2014, 19(4): 628?634.

[11] 熊湘君, 劉盈霞. 鎢粉粒度對電極用鎢銅合金組織和性能的影響[J]. 粉末冶金材料科學與工程, 2007, 12(2): 101?105. XIONG Xiangjun, LIU Yingxia. Effect of tungsten particle size on structures and properties of infiltrated W-Cu compacts for electrodes[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2007, 12(2): 101?105.

[12] MOON I H. Sintering of mechanically alloyed nanostructured tungsten-copper alloys[J]. Metal Powder Report, 1998, 53(10): 38.

[13] AHMADI E, MALEKZADEH M, SADRNEZHAAD S K. W-15wt% Cu nano-composite produced by hydrogen-reduction/ sintering of WO3-CuO nano-powder [J]. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2010, 28(3): 441?445.

[14] 范景蓮. 鎢合金及其制備新技術[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2006: 221?231. FAN Jinglian. Tungsten alloy and new technology of preparation[M]. Beijing: Press of Metallurgy Industry, 2006: 221?231.

[15] 呂大銘, 牟科強, 唐安清, 等. 鎢銅觸頭材料的熱等靜壓處理[J]. 粉末冶金技術, 1990, 8(1): 19?23. Lü Daming, MOU Keqiang, TANG Anqing, et al. Hip treatment of W-Cu contact composites[J]. Powder Metallurgy Technology, 1990, 8(1): 19?23.

[16] 王爾德, 胡連喜, 于洋, 等. 銅基電極粉末形變復合材料制備方法[P]. 中國, CN03132475.4, 2004?03?24. WANG Erde, HU Lianxi, YU Yang, et al. Preparation methods of deformation composite of copper-based electrode powder: China Patent, CN03132475.4[P]. 2004?03?24.

[17] 李達人. W-Cu 粉末熱擠壓致密工藝及塑性變形研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2009. LI Daren. Research on densification of W-Cu powders by hot extrusion and plastic deformation[D]. Harbin: HarbinInstituteofTechnology, 2009.

[18] 付林蕭. 兩種鎢銅復合粉末熱壓燒結(jié)及塑性變形性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2013. FU Linxiao. Research on properties of two kinds of W-Cu composite powder by hot pressed and plastic deformation[D]. Harbin: HarbinInstituteofTechnology, 2013.

[19] RYU S S, KIM Y D, MOON I H. Dilatometric analysis on the sintering behavior of nanocrystalline W-Cu prepared by mechanical alloying[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2002, 335(1/2): 233?240.

[20] 劉舒, 謝敬佩, 馬竇琴, 等. 納米鎢銅復合粉末的制備及其燒結(jié)行為研究[J]. 稀有金屬與硬質(zhì)合金, 2014, 42(5): 34?38. LIU Shu, XIE Jingpei, MA Douqin, et al. Research on preparation of W-Cu nanocomposite powders and their sintering behaviors[J]. Rare Metals and Cemented Carbides, 2014, 42(5): 34?38.

[21] GB/T 8230—2003, 銅鎢及銀鎢電觸頭技術條件. GB/T 8230—2003, Technical specifications of copper-tungsten and silver-tungsten electrical contacts.

(編輯 湯金芝)

Hot extrusion and heat treatment of W-Cu ultrafine-grained composites

ZHANG Huijie1, LI Jiwen1, WEI Shizhong2, 3, PAN Kunming2, 3, WANG Zan1, WAN Cheng1

(1. School of Material Science and Engineering, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471023, China;2. Henan Engineering Research Center for Wear of Materials, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471003, China; 3. Henan Province Nonferrous Metal Commonness Technology of Collaborative Innovation Center, Luoyang 471023, China)

Ultrafine-grained W-Cu composite materials were fabricated by vacuum-sintering and hot extrusion of W-30% Cu nanocomposite powders that were prepared by hydrothermal synthesis combined with co-reduction method. X-ray diffraction (XRD), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and scanning electron microscopy (SEM) were employed to detect the composition and morphology of powders and materials. The density, conductivity and hardness of composite bars were analyzed and the effects of hot extrusion and subsequent heat treatment on densification, conductivity and hardness of W-Cu composite were also studied. The results indicate that nano-sized hydrothermal powders have a uniform spherical structure with size in the range of 10?20 nm. After annealing and hydrogen reduction, W-Cu nanocomposite powders with homogeneous distribution of both metals and encapsulation of Cu phase by the W phase can be observed. The relative density of W-Cu alloy can only reach 91.50% through vacuum-sintering at 1 050 ℃, and can reach the relative density of 97.07%, the hardness of 223 after hot extrusion process. The microstructure of the as-extruded W-Cu composites is more meticulous with fine dispersibility of W phase and Cu phase, and the grain size of W particle is about 1?3 μm. The composite shows a typical tungsten skeleton and copper network structure. After heat treatment, the distribution of W phase and Cu phase appears more uniform, the grain size of W particle decreases,the relative density and conductivity of the composite reach 98.82% and 43.31% IACS, respectively, and good properties are obtained.

hydrothermal synthesis and co-reduction; vacuum sintering; ultrafine-grain W-Cu composite; canning hot extrusion; heat treatment; densification

TG146.411

A

1673-0224(2016)01?25?10

河南省重點科技攻關項目(111100910500)；河南省教育廳自然科學研究項目(2010A430004)

2015?01?04；

2015?03?20

李繼文，教授，博士。電話：13525983980；E-mail: ljwzq@163.com