[发明专利]一种细晶无磁钨－铜合金的活化烧结制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种细晶无磁钨-铜合金的活化烧结制备方法。

背景技术

钨-铜(W-Cu)复合材料由具有高熔点、低膨胀率、高强度的钨和导热性能很好的铜组成。钨铜复合材料具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性、高强度、高硬度、高导热和低热膨胀系数等特点，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，军用发汗材料，电子封装与热沉材料等。随着高新技术不断发展，对钨-铜(W-Cu)合金性能提出了更高的要求。例如，在微波元件中，常选用W-15Cu，这是由于微波管的底座BeO陶瓷线膨胀系数与W-15Cu的膨胀系数非常接近。二者钎焊在一起不仅能保证热匹配，又是良好的导热通道；电工合金的钨-铜(W-Cu)合金要求不同，它除了要求高的热导外，还要求有极高的气密性。这就要求钨-铜(W-Cu)合金的孔隙率必须很低，要求其具有接近完全致密的密度(相对密度大于98％)；而某些特殊用途的材料，除要求高的热导外，还要求有极高的气密性和严格的热膨胀系数。这就需要钨-铜(W-Cu)合金接近全致密；而该材料应用于超大功率半导体器件则要求有高导热、低膨胀和散热性能等。为获得特定的物理性能要求，严格控制该材料的成分和微结构形态；对复杂形状部件的净成形，特别是粉末注射成型技术的应用，则要求严格控制尺寸及变形。一般熔渗方法制得的产品，都存在一定的孔隙，所以很难达到这样苛刻的要求。随着电子元器件的大功率化、各种器件趋于小型化和工作条件更加苛刻，普通的粗晶粒的钨-铜(W-Cu)合金难以满足这些原来越高的要求。合金晶粒的细晶化甚至纳米化赋予材料一些相对于粗晶材料更加优良的性能。

传统钨铜合金的制备一般采用铜渗和液相烧结方法，但是由于钨铜互不相溶，其烧结性能较差，难以实现完全的烧结致密化和形成均匀化的微观结构，最高相对密度一般仅为92％-96％，并且导电、导热性能差。另外添加镍、钴、铁、钯等元素，进行活化烧结也能取得较好的效果，可以获得较高的相对密度、硬度、断裂强度等。但是活化剂的加入显著降低了复合材料的导电、导热性，限制了材料的适用范围。采用细晶或纳米弥散分布的粉末，能较好地改善钨铜合金的烧结性能，获得较理想的材料。

目前制备钨-铜(W-Cu)合金主要有下述方法：

(1)由钨相基本包覆铜相的钨铜复合粉末为原料，复合粉末颗粒度的范围约0.5微米到2微米(Fsss)，制备出由粒度小于5微米的钨区和粒度小于10微米的铜区组成的钨铜假合金(L.P.多夫曼，M.J.塞豪尔，D.L.豪克，M.帕利瓦等。钨-铜复合粉，中国发明专利ZL 96114471.8，1997年10月1日)；

(2)将粉末以200MPa-500MPa的压力压制成形后放入烧结炉，以5℃/min-20℃/min的升温速度至400℃-700℃，保温15min-120min，再以20℃/min-60℃/min的升温速度升温到烧结温度1150℃-1350℃，保温30min-120min。本发明制备的钨-铜(W-Cu)合金，具有W晶粒组织细，为1-2μm，W-Cu合金致密度和力学性能均优于传统钨-铜(W-Cu)合金；其致密度为97％-99.5％，拉伸强度为700-800MPa，延伸率为3.0～5.0％，抗弯强度为1100-1300MPa。(范景莲，黄伯云，张兆森，马运柱，汪登龙，吴恩熙。细晶钨-铜复合材料的制备方法，中国发明专利ZL03143145.3，2003年6月13日)；

(3)以平均颗粒尺寸≤250nm的W-Cu纳米复合粉末为原料，其W的平均晶粒尺寸≤50nm，制备出W相平均晶粒尺寸为0.3-2μm可控的钨-铜(W-Cu)合金(杨明川，宋贞桢，卢柯。一种超细晶钨-铜合金件及其制备，中国发明专利ZL03134059.8，2003年9月25日)；

(4)制备工艺包括粉末处理、添加诱导剂及混料、压制成型、预烧结、熔渗等步骤。采用该工艺制备的合金既有钨的低热膨胀系数，又具有铜的高导热性的相结合，可实现与半导体硅、砷、砷化镓、氧化铝、氧化铍的良好匹配封结。(蔡宏伟，仲守亮，宁超，张德明，沈忠良。一种钨铜功能复合材料及其制备工艺，中国发明专利ZL03150816.2，2005年3月9日)；