冯 威,李玉龙,朱晓东

(成都大学工业制造学院,四川成都 610106)

0 引 言

钨铜复合材料具有耐电压强度高和电烧蚀性能低的特点,自从20世纪30年代首次研制成功后,便逐渐成为高压电器开关的关键材料.到了20世纪60年代,钨铜复合材料逐步开始被用作电阻焊接、电加工的电极材料和航天技术中的耐高温零部件材料等.20世纪90年代后,随着大规模集成电路和大功率电子器件的发展,钨铜复合材料作为升级换代的产品开始大规模被用作电子封装和热沉积材料,同时,钨铜复合材料还作为导弹喷管材料和破甲弹药型罩材料,成功地被应用到军事工业中.随着电子工业的进一步发展,对高性能钨铜复合材料的需求越来越迫切[1].经过了几十年的研究和发展,钨铜复合材料的制备技术取得了很大进步,一些新工艺、新技术也已在生产中推广和应用,但怎样制备出性能更为优异的新型钨铜材料仍是钨铜材料研究中十分重要的课题,其制作工艺仍需要进行更为深入地研究[2].本文对当前国内外钨铜复合材料的最新研究成果进行了总结,并在调研、分析的基础上介绍了当前钨铜复合材料的应用、制备和致密化技术,叙述了各种工艺及其特点,并对钨铜复合材料的进一步应用与发展进行了展望.

1 钨铜复合材料的制备方法

1.1 高温液相烧结法制备钨铜复合材料

高温液相烧结法,是将钨粉和铜粉按一定比例进行配料、混合(同时加入润滑剂)、成形,并在铜与钨熔点之间的温度下进行材料的烧结和致密化的钨铜复合材料制备方法.这种方法的特点是生产工序简单易控,但烧结温度高、烧结时间长、烧结的性能较差,复合材料烧结致密度只为理论密度的90%～95%,很难得到高致密度的钨铜合金.这是由于在普通状态下液相铜在钨表面的润湿性不好,所以在采用普通的“粉末混合+成型+烧结”工艺制备钨铜合金时,其烧结致密化过程不会发生K ingery理论[3]中的溶解析出机制,而主要是由颗粒的重排机制所控制.人们为了提高这种方法的烧结致密度,就不得不增加复杂的烧结后处理工序,如复压、热锻、热压等,从而增加了制备工艺的复杂性,使这种制备方式的应用受到一定的限制.

1.2 熔渗法制备钨铜复合材料

熔渗法,是先制备出一定密度、强度的多孔钨颗粒骨架,再利用金属铜液在毛细管力作用下沿钨颗粒间隙流动并对多孔钨骨架进行填充和润湿的方法[4,5].用熔渗法制备高钨钨铜复合材料的优点是致密度高,烧结性能好,热导和电导性能好,缺点是熔渗后需要进行机加工以去除多余的渗金属铜,增加了机加工费用,降低了成品率.熔渗法对进一步改善复合材料的韧性有一定好处,因此,熔渗法是目前制备高钨钨铜复合材料应用最为广泛的方法[6-8].

1.3 活化液相烧结法制备钨铜复合材料[9-14]

钨铜复合材料的活化液相烧结,是指在钨铜复合材料中加入Co、Ni、Fe、Pd等第三种活化金属元素来促进与改善钨铜复合材料烧结过程的一种特殊方法.通过添加Ni、Pd等元素,能提升钨在铜液相中的溶解度,使铜对钨的浸润性得到明显改善,相对致密度得到提高.通过添加Co或者Fe,能够促进固相钨颗粒之间的烧结,使钨铜复合材料相对致密度、断裂强度和硬度会出现快速增加.但遗憾的是,活化剂的加入会影响钨铜复合材料的热导、电导性能,这对导热、导电性能要求较高的电子材料来说是极为不利的,所以该方法一般只应用于对热导、电导性能要求不高的钨铜复合材料的制备上.

1.4 机械合金化钨铜粉的烧结

机械合金化钨铜粉的烧结法,是指将经过高能球磨等处理并实现了钨与铜之间机械合金化的钨铜粉末进行相应烧结的一种方法[15].通过对钨铜粉末进行机械合金化处理,一方面可以使金属粉末粒度减小,使钨颗粒在铜液相作用下重排距离缩短,并使钨、铜粉末间的均匀性和两相分布状态得到改善,强化钨铜复合材料的致密化过程,提高钨铜体系的烧结特性;另一方面,机械合金化处理可以使金属粉末产生严重的晶格畸变、高密度缺陷和纳米级的精细结构,使粉末体系的热力学和动力学特征具有偏离平衡态的属性,如更高的表面能和表面活性,更大的烧结驱动力和更好的烧结性能等[16].目前,机械合金化钨铜复合粉末的最大缺点是长时间球磨带来的杂质,而这将降低烧结后的钨铜复合材料的导电、导热性能,而且因为机械合金化的生产周期较长、效率低,限制了它在实际生产中的进一步应用[17,18].

1.5 钨铜复合材料的快速定向凝固技术

钨铜复合材料的快速定向凝固技术,是利用钨铜合金在快凝固速度(1 000～1 000 000 K/s)与大过冷度作用下,合金元素在固相中的溶解度扩大,晶粒组织细化,偏析显著减少,从而使钨铜合金能保持很好的导电性能,更高的室温和高温强度,更好的耐磨和耐腐蚀性能的一种特殊制备方法[19].定向凝固技术的冷却速率可以通过对凝固过程中固液界面的温度梯度和生长速率进行调节来实现,具体的方法有深过冷定向凝固、电磁约束成形定向凝固等.但是,目前还存在一些制约快速定向凝固技术应用和发展的因素,例如,如何采用该方法来制备具有一定外形的零件,如何控制热流的方向等.

1.6 共还原法制备钨铜复合材料

钨铜复合材料的共还原法烧结,是指将钨和铜的氧化物粉末进行混合、压制与成型后,在还原性气氛中进行烧结的一种方法.由于钨和铜的氧化物粉末较纯金属钨和铜粉末的制造工艺更为简单,更易达到超细弥散状态,采用这两种金属氧化物粉末进行共还原烧结时,在固态和液相烧结过程中都呈现出强烈的致密化效果,并且钨与铜的氧化物都容易被氢还原成金属.因此,采用共还原法来制备成分均匀的钨铜复合材料一直被研究人员所关注[20].Sebastian等[21]用钨铜氧化物共还原粉末在高的弥散状态下靠毛细管作用引起的颗粒重排实现了钨铜复合材料的全致密化,其烧结相对密度接近100%.

虽然采用共还原法制备的钨铜复合材料具有性能优良的特性,但其大批量的应用却有一定的困难,一方面是这种方法工艺复杂,生产效率低,而且氢气的还原过程不易控制;另一方面是该方法仅适用于铜含量大于25%的钨铜复合材料,对于铜含量小于20%的钨铜复合材料,此种方法生产的产品相对致密度还较低.

2 新型钨铜复合材料的应用

2.1 微电子技术应用

钨铜复合材料具有高导热、耐热性的特性,可以大大提高其在微电子器件的使用功率,它适宜的热膨胀系数可以与微电子器件中的硅片、砷化镓等半导体材料及陶瓷材料很好匹配连结,从而避免了热应力所引起的热疲劳破坏[22,24].钨铜复合材料还可以进行净尺寸成形,因此可以实现器件的小型化.同时,钨铜复合材料还可以通过改变钨与铜含量来调节其膨胀系数与导热系数,所以近年来钨铜复合材料作为基片、嵌块、连接件和散热件等元件在大规模集成电路和大功率微波器件中得到迅速发展和广泛应用[23,24].

2.2 电触头和电加工

由于铜的熔点与沸点远低于钨的熔点与沸点,在电弧的高温作用下,钨铜复合材料可以通过铜的“发汗”作用带走大量的热量,从而使钨骨架冷却并保持良好的力学性能,保证电触头的开断功能[25,26].所以,钨铜复合材料这种良好的抗电腐蚀、抗熔焊和耐电压特性,特别适合于制作高压及超高压开关电器的触头,但随着开关电器向更高电压、更大容量发展,对钨铜材料的技术要求也不断提高,真空开关电器的出现,已成为钨铜材料重要的应用新领域,促进了真空用钨铜合金的开发和应用.目前,各种先进的电加工技术的发展,也成为高耐热、高导电导热和抗电弧烧结的钨铜复合材料的另一个重要应用领域[26,27].这一系列电器除了要求元件在真空下使用,并且使用条件复杂,品种繁多,因此,除了要符合真空条件外,还要求钨铜复合材料的组织尽可能均匀致密,性能更加稳定.

2.3 军用钨铜复合材料

从20世纪60年代起,美国便开始将钨铜合金用于火箭、导弹的喷管喉衬、燃气舵、鼻锥等高温部件,其应用原理是当燃气的温度接近甚至超过合金的熔点(3 000℃)时,铜在2 580℃(0.1 MPa)蒸发而吸收大量热量并为钨骨架提供良好的冷却效果,从而保证部件的正常工作.而美国、法国、以色列等对钨铜药型罩材料研究结果表明,在3倍口径炸高的条件下,其破甲深度可以比纯铜药型罩提高30%,这是由于钨铜复合材料的高密度、高声速、良好的导热性及高动态断裂延伸率等性能,使药型罩形成了更长而且稳定的射流,从而大大提高了破甲弹的破甲威力.此外,近年来,由于钨铜合金的耐热性、高导电性、抗电弧和抗摩擦等优异性能,其作为电磁炮的导轨材料逐渐开始得到应用[28].随着高性能钨铜合金研究的进一步发展,其在冶金、航天和军事工业中的应用还将会不断拓展.

2.4 压铸模具

由于压铸模具的表面与内部温差较大,造成内外层体积不同变化产生的热应力很大.压铸有色金属铜制作燃气灶炉头时,如使用3Cr2W8V作为压铸模具,寿命大约仅为1 000～2 000次/件,采用铜钨合金后,模具寿命将超过5 000次/件,如果进一步改善压铸工艺(如预热温度),模具使用前进行预热处理工艺,还能达到更好的效果[29].

2.5 轧钢导卫

钢在热轧时,其导卫表面温度会升高到700～800℃,导卫必须承受高温摩擦、高温氧化与膨胀应力等多种考验.此外,钢在热轧时会迅速氧化,产生的氧化铁皮脱落在钢与导卫相对运动时还会形成磨粒磨损.轧钢导卫过去常使用铸铁、镍铬合金、硬质合金等材料制作,但其使用效果都并不十分理想,采用铜钨复合材料制作后,导卫寿命可以提高3～4倍,导卫本身的消耗及更换导卫的次数大大减少,轧钢作业效率快速提高[30].此外,采用铜钨复合材料还可以避免“粘钢”现象发生,从而可以进一步减少钢材表面的挂伤,提高钢材表面质量.目前,在轧钢的精轧与预精轧道次的进出口导卫、扭转管的关键部位,使用的全部都是钨铜复合材料.

3 结论与展望

钨铜复合材料虽然已被广泛应用于工业生产的许多方面,其制备新工艺、新技术也日趋成熟,但仍存在一些亟待解决的问题.其中,最重要的一点便是目前很多高性能钨铜复合材料虽然能够在实验室中研制成功,但离真正意义上的工业化生产还具有一定的距离.因此,开发出简单易行的钨铜复合材料制备技术将是未来钨铜复合材料制备工艺研究的热点.近年来,随着超细粉末制取工艺的发展,采用共还原超细钨铜混合化合物制得超细钨铜混合粉末,以及采用高能球磨工艺制取纳米晶钨铜混合粉末等新工艺的出现,使得超细粉末制备钨铜合金的优势逐渐得到体现.由超细钨铜粉末制备的钨铜复合材料具有非常高的致密度和高的导热、导电性能,具有按传统常规方法制备的钨铜复合材料所无法比拟的优点.这是因为超细粉末具有一系列优良的特点:如粉末的晶粒细小(100 nm以下),比表面积大,粉末之间的接触界面大,表面活性大,烧结驱动力大,烧结温度低且致密化快等,这也使得直接一次性烧结制备高密度钨铜复合材料成为可能[31].由于这种工艺改变的只是粉末原料,而对其他制备工艺如压制成型与烧结方法尚无太高的要求,因此研究超细钨铜混合粉制备高性能钨铜复合材料将是一条较有前景的规模化生产高性能钨铜复合材料的途径,它的实现将进一步扩大钨铜复合材料的应用领域,大大提高我国钨铜合金及元器件工业制备技术的水平,并可充分发挥我国钨资源丰富的优势.

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