一种钨增强铜复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开的一种钨增强铜复合材料，按照体积分数，包括以下组分，铜粉不少于50％，余量为钨粉，以上组分的体积百分比之和为100％；本发明专利技术还公开了一种钨增强铜复合材料的制备方法。本发明专利技术一种钨增强铜复合材料，采用少钨多铜的配比，充分发挥难溶金属钨的高温特性和低熔点金属铜的高导特性，实现既能耐高温又能起到良好传导作用的特殊要求；本发明专利技术的制备方法，采用激光选区熔化技术制备多孔钨骨架，钨骨架孔隙形状、数量、尺寸精准可控，而且钨骨架相冶金结合，强度高、各向同性、呈网络状，使粘结相铜通过熔渗技术在多孔钨骨架中充分填充，以制备出可符合多种环境下使用的高致密钨增强铜复合材料，有很好的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种钨增强铜复合材料及其制备方法
本专利技术属于金属复合材料
，具体涉及一种钨增强铜复合材料，本专利技术还涉及一种钨增强铜复合材料的制备方法。
技术介绍
钨铜复合材料是一种典型的伪合金体系，组元钨具有高熔点(3420℃)、高强度、抗电弧烧蚀性能、较高电导率(174W/m·K)、低核燃料滞留率；组元铜具有高电导率、高热导率(室温约400W/m·K)等特点。由相图可知：铜钨无中间相生成，这一方面使得两种组元金属各自的特点都可被发挥出来；另一方面，可根据需要调配不同的成分含量而得到不同性能需求。因此，钨铜复合材料被广泛应用于电力电子、航空航天、军事工业及核能领域中。当前所用的钨铜合金多是高钨含量的，因为较高的钨(体积比大于50％)，不论是传统的粉末冶金熔渗技术，还是新型的放电等离子体烧结技术，均能较好的保持骨架组织，有利于铜的熔渗，而且也能满足诸如高压电触头材料、火箭发动机喉衬材料、以及耐磨滑块材料等很多领域的要求。但是，针对更高导热、导电特性及一定耐热特性要求的热沉材料、核聚变偏滤材料或其它类似应用的材料则需要更高的铜含量，即少钨(体积比不足50％)多铜的钨铜复合材料。对此，一方面，传统方法制备的骨架相钨难以保持，很难在其基础上制备出块体的铜钨复合材料；另一方面，传统方法制备的铜钨复合材料块体中无法任意改变各相分布及各相形状尺寸情况。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种钨增强铜复合材料，解决了现有钨铜复合材料中，少钨多铜容易造成骨架相钨难以保持的问题。本专利技术的第二个目的是提供一种钨增强铜复合材料的制备方法，解决了现有制备方法中钨相难以冶金结合、不能构成网状联通结构及钨铜相分布不均等问题。本专利技术所采用的第一个技术方案是，一种钨增强铜复合材料，按照体积分数，包括以下组分，铜粉不少于50％，余量为钨粉，以上组分的体积百分比之和为100％。本专利技术的特征还在于，钨粉为纯度不小于99.9％的球状钨粉，粒径为15～53μm。铜粉为纯度不小于99.9％的不规则铜粉，粒径为50～70μm。本专利技术所采用的第二个技术方案是，一种钨增强铜复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，选取原料按照体积分数，称取以下组分，铜粉不少于50％，余量为钨粉，以上组分的体积百分比之和为100％；步骤2，制备多孔钨骨架；步骤2.1，在激光选区熔化设备的装粉仓内放置步骤1中的钨粉，输入预制多孔钨骨架模型，开启激光选区熔化设备打印，扫描方式为棋盘式，每铺粉一次则激光选区熔化一次，打印过程中持续通惰性气体保护，得到预制多孔钨骨架；步骤2.2，将步骤2.1得到的预制多孔钨骨架酸洗1～3min，随后在酒精中超声清洗3～5min，得到多孔钨骨架；步骤3，制备镀铜多孔钨骨架配置电镀液，以纯度为99％的铜板作阳极，步骤2.2的多孔钨骨架为阴极，电镀，得到镀铜多孔钨骨架；步骤4，铜的熔渗烧结步骤4.1，基于步骤2.1的多孔钨骨架模型的孔隙率k和步骤3中的镀铜多孔钨骨架的外围体积V，计算实际所需熔渗铜量M0＝1.2M＝1.2*8.9kV，其中1.2为熔渗损耗系数1.2，称取步骤1中的铜粉；步骤4.2，将步骤4.1中的铜粉，置于型腔直径20～40mm、高度50～200mm的钢压模具中，在3～5吨/平方厘米的压力条件下，压制成块体待熔渗纯铜压坯；步骤4.3，将步骤3的镀铜多孔钨骨架置于石墨模具腔体中，将步骤4.2中的铜压坯置于其上方，加盖石墨盖，置于高温烧结炉中加热，然后炉冷，取出后除掉表面浮铜，即得所需钨增强铜复合材料。本专利技术的特征还在于，步骤2.1中，预制多孔钨骨架模型的孔隙率k≥50～90％。步骤2.1中，激光选区熔化设备的打印参数为：光斑直径为45～100μm，扫描间距为60μm，扫描速度为550～650mm/s，铺粉层厚为25μm，激光功率为70W～100W，激光能量80～130J/mm3；惰性气体的气体流量为1～3m3/h。步骤2.2中，酸洗采用的溶液为：体积比为8:1:21的HF、HNO3与H2O的混合液；超声参数：超声频率不小于1MHz，温度为室温。步骤3中，电镀液为浓度为60～100g/L的CuSO4溶液和占电镀液总体积2％～5％的H2SO4混合液；电镀的参数为：电镀铜温度为30～60℃，时间为30～60mins，工作电流密度为5-20A/dm2，镀铜层厚度为5～15μm。步骤4.3中高温烧结炉的参数为：升温至1200～1250℃，随后保温60～90min；在加热过程中通入氢气或氮气，通入量为1～3L/h。步骤4.3中，石墨模具腔体的高度至少比镀铜多孔钨骨架的高度高30～100mm；石墨模具腔体的横截面与镀铜多孔钨骨架的横截面尺寸相同。本专利技术的有益效果是：本专利技术一种钨增强铜复合材料，采用少钨多铜的配比，充分发挥难溶金属钨的高温特性和低熔点金属铜的高导特性，实现既能耐高温又能起到良好传导作用的特殊要求；本专利技术的制备方法，采用激光选区熔化技术制备多孔钨骨架，钨骨架孔隙形状、数量、尺寸精准可控，而且钨骨架相冶金结合，强度高、各向同性、呈网络状，使粘结相铜通过熔渗技术在多孔钨骨架中充分填充，以制备出可符合多种环境下使用的高致密钨增强铜复合材料，有很好的实用价值。附图说明图1是本专利技术一种钨增强铜复合材料的制备方法中预制多孔钨骨架模型的结构示意图，其中，图1(a)为第一种具有各向异性的钨骨架模型，图1(b)为第二种具有各向异性的钨骨架模型，图1(c)为具有各向同性的钨骨架模型；图2是本专利技术一种钨增强铜复合材料的制备方法中电镀装置的结构示意图；图3是本专利技术一种钨增强铜复合材料的制备方法中石墨模具的结构示意图；图4是本专利技术一种钨增强铜复合材料的制备方法实施例1中，预制多孔钨骨架的结构示意图，其中，图4(a)为宏观的预制多孔钨骨架结构图，图4(b)为微观的预制多孔钨骨架形貌图；图5是本专利技术一种钨增强铜复合材料的制备方法实施例1中，制备的钨铜复合材料的微观形貌图，其中，图5(a)为XY平面微观形貌图，图5(b)为YZ平面微观形貌图，图5(c)为与YZ呈60°平面微观形貌图。图中，1.石墨盖，2.铜压坯，3.石墨模具，4.镀铜多孔钨骨架。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。一种钨增强铜复合材料，按照体积分数，包括以下组分，铜粉不少于50％，余量为钨粉，以上组分的体积百分比之和为100％；钨粉为纯度不小于99.9％的球状钨粉，粒径为15～53μm；铜粉为纯度不小于99.9％的不规则铜粉，粒径为50～70μm。球形钨粉主要用来3D打印，不规则铜粉主要用于熔渗。一种钨增强铜复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，选取原料按照体积分数，称取以下组分，铜粉不少于50％，余量为钨粉，以上组分的体积百分比之和为100％；步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钨增强铜复合材料，其特征在于，按照体积分数，包括以下组分，铜粉不少于50％，余量为钨粉，以上组分的体积百分比之和为100％。/n

【技术特征摘要】
1.一种钨增强铜复合材料，其特征在于，按照体积分数，包括以下组分，铜粉不少于50％，余量为钨粉，以上组分的体积百分比之和为100％。


2.根据权利要求1所述的一种钨增强铜复合材料，其特征在于，所述钨粉为纯度不小于99.9％的球状钨粉，粒径为15～53μm。


3.根据权利要求1所述的一种钨增强铜复合材料，其特征在于，所述铜粉为纯度不小于99.9％的不规则铜粉，粒径为50～70μm。


4.如权利要求1-3任一所述的一种钨增强铜复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选取原料
按照体积分数，称取以下组分，铜粉不少于50％，余量为钨粉，以上组分的体积百分比之和为100％；
步骤2，制备多孔钨骨架
步骤2.1，在激光选区熔化设备的装粉仓内放置步骤1中的钨粉，输入预制多孔钨骨架模型，开启激光选区熔化设备打印，扫描方式为棋盘式，每铺粉一次则激光选区熔化一次，打印过程中持续通惰性气体保护，得到预制多孔钨骨架；
步骤2.2，将步骤2.1得到的预制多孔钨骨架酸洗1～3min，随后在酒精中超声清洗3～5min，得到多孔钨骨架；
步骤3，制备镀铜多孔钨骨架
配置电镀液，以纯度为99％的铜板作阳极，步骤2.2的多孔钨骨架为阴极，电镀，得到镀铜多孔钨骨架；
步骤4，铜的熔渗烧结
步骤4.1，基于步骤2.1的多孔钨骨架模型的孔隙率k和步骤3中的镀铜多孔钨骨架的外围体积V，计算实际所需熔渗铜量M0＝1.2M＝1.2*8.9kV，其中1.2为熔渗损耗系数1.2，称取步骤1中的铜粉；
步骤4.2，将步骤4.1中的铜粉，置于型腔直径20～40mm、高度50～200mm的钢压模具中，在3～5吨/平方厘米的压力条件下，压制成块体待熔渗纯铜压坯；
步骤4.3，将步骤3的镀铜多孔钨骨架置于石墨模具腔体中，将步骤4.2中的铜压坯置于其上方...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文革，周凯，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61