利用W-Cu梯度层连接93W合金与无氧铜的实验研究

针对“面向等离子体元件”对W—Cu复合材料的需求,进行了利用W—Cu梯度层连接93W合金与无氧铜的实验研究。首先选用Zn作为烧结助剂,采用粉末冶金方法热压烧结了不同W含量的W-Cu梯度层,研究了烧结温度、W含量对其致密度和微观结构的影响,确定了适宜的烧结条件为温度1123K,压力20MPa,保温时间60min。在该条件下制备的W-Cu梯度层的致密度大于96％,其物相为W、Cu,二者以机械混合形式共存。在此基础上,通过在93W合金与无氧铜之间加入三层W含量逐渐变化、无宏观界面的W—Cu梯度层,在梯度层致密烧结的同时,实现93W合金与无氧铜的连接。     

W-Cu纳米晶粉体的制备及表征

采用机械舍金化技术制备了W-20％Cu和W-50％Cu纳米晶粉体，通过XRD、SEM、TEM等手段对机械舍佥化过程中W-Cu纳米晶复合粉的组成、晶格常数、晶粒尺寸和形貌结构进行了表征与分析。结果表明，W-20％Cu混合粉经过高能球磨，Cu元素完全固溶进w晶格中，形成W（Cu）固溶体；W-50％Cu复合粉经过高能球磨，形成W（Cu）和Cu（W）两种固溶体。W、Cu的合金化主要是依靠高能球磨过程中产生的大量纳米晶界和高密度的缺陷（位错、层错等）促使W、Cu之间的固溶。W-Cu复合粉的晶格常数和晶粒尺寸随着球磨时间的延长而减小，球磨一定时间后，都趋于稳定。球磨20h后，W-20％Cu和W-50％Cu复合粉中W（Cu）的晶粒尺寸分别为6．6和8．0nm。     

超细钨铜复合粉末注射成型药型罩研发及测试

W-Cu合金结合了钨的高密度与铜的高动态延伸率,是一种前景广阔的药型罩材料.为获得性能优良的金属射流,提高油气井射孔弹的穿孔指标,对高致密均质W-Cu合金药型罩进行了研发.采用热化学工艺开发了不同含铜率(质量分数为10%,15%,20%,25%)的亚微米级超细W-Cu复合粉末,选W-25Cu型复合粉末并采用注射近净成型工艺技术制备了药型罩,将脱脂件在H_2气氛中烧结,峰值温度为1 200℃.采用SEM观察发现,烧结药型罩微观结构为亚微米级的W粒子均匀地分布在Cu基体中,其实测密度高达14.75 g/cm~3.拉伸试验表明,所开发的药型罩材料具有优良的力学性能,极限抗拉强度达到822.4 MPa,屈服强度达807.5 MPa,延伸率为1.18%.破甲性能测试实验证明,该类药型罩具有极其稳定的侵彻性能.     

用包裹纳米复合粉体制备ZTA陶瓷

用非均匀成核法和液相共沉淀法相结合的方法制得ZrO2(3Y)包裹Al2O3纳米复合粉体,经干压成型,常压烧结制备ZTA复相陶瓷.通过XRD、TEM对粉料的物相组成和显微形貌进行表征,研究了包裹粉体中煅烧温度和ZrO2含量对烧结体的烧结性能和力学性能的影响.结果表明:随着前驱体粉料煅烧温度的升高,包裹后的Al2O3-ZrO2(3Y)复合陶瓷粉体比表面积降低,粒径变大;ZrO2含量为20wt.%的Al2O3-ZrO2(3Y)复合陶瓷粉体,经过1000℃锻烧后,干压成型制备的烧结样品的抗弯强度和断裂韧性分别高达454.9MPa和11.6MPa·m1/2,SEM观察结果表明烧结体结构致密.     

纳米Fe-Cu粉末的制备及其对铁基压坯烧结行为的影响

以化学共沉淀法制备出纳米Fe-Cu复合粉末并对其性能进行了表征,分别以此纳米Fe-Cu粉末和电解Cu粉与铁粉进行混合获得铁基粉末混合料,成形压坯在H2气氛中不同温度下进行烧结,测定基加入不同形态Cu(合金）粉末铁基烧结坯的烧结性能,结果表明,在相同的Cu添加量及烧结条件下,添加纳米Fe-Cu粉末较加入电解Cu粉于铁基压坯中可以明显地提高压坯烧结后的密度,硬度及强度等性能,而添加纳米Fe-Cu粉末压坯在较低温度下烧结可达到添加电解Cu粉压坯在较高温度下烧结后的性能水平,说明采用纳米Fe-Cu粉末形式向铁基压坯中引入Cu有利于制备高密度,高性能的铁基烧结材料。     

钨铜梯度材料热震过程中显微组织及热性能

针对目前W-Cu功能梯度材料(FGM)在长期热震循环过程中的稳定性缺乏相应研究的问题,以化学镀W-10wt%Cu复合粉体和Cu粉为原料,通过叠层压制和常压气氛烧结的工艺制备了W-10wt%Cu/W-20wt%Cu/W-30wt%Cu层状梯度材料。在600℃、800℃、1000℃温度下进行热震试验,对试样在不同热震温度、热震次数下的显微组织和热学性能变化进行了研究。试验结果表明,随着热震温度升高,渗出至试样各梯度层表面的Cu逐渐增加。当热震温度达到1000℃时,试样各梯度层表面出现大量Cu聚集成片的现象,同时在W-20wt%Cu/W-30wt%Cu界面处发现了界面裂纹。随着热震次数的提高,在W-10Cu层中,Cu逐渐渗出表面并在内部留下微孔。此外,W-Cu FGM的热导率随热震次数的增加而减小,在1000℃经过200次热震后,室温热导率由200.54 W·(m·K)?1降至159.23 W·(m·K)?1,降低了20.60%。该结果揭示了热震循环中裂纹形成与显微组织变化的耦合失效机制,明确了W-Cu FGM安全服役的范围。      

溶胶-球磨超细W-Cu复合粉末烧结性能研究

采用溶胶-球磨法制备W-10Cu、W-20Cu复合粉末,研究了球磨工艺对粉末粒度、形貌和烧结性能的影响。研究结果表明,球磨粉末呈现双峰粒度分布,球磨20h的W-10Cu、W-20Cu粉末的粒度分别为1.03和1.15μm。球磨过程中,粉末比表面积变换式ln[(Sm-S0)/(Sm-S)]与球磨时间t符合线性关系。W-10Cu、W-20Cu复合粉末球磨20h,可以在1380℃一步液相烧结达到近全致密,显微组织细小且均匀。     

内嵌式钨铜粉末爆炸复合结构材料的研究

为满足托克马克核聚变装置内壁材料对W-Cu复合材料的需求,提出了内嵌式粉体爆炸复合方法和技术工艺。先用该方法制备内嵌式W-Cu粉复合材料,其实验粉末分别采用粒径3μm与23μm的纯钨粉和添加10%铜粉的W-Cu混合粉末(质量分数)。然后利用扫描电子显微镜、显微硬度计对内嵌式W-Cu粉复合材料进行表征、分析。结果显示,实验粉末经过爆炸烧结压实后能达到90%以上该密实材料的密度。添加10%铜粉后制备的W-Cu粉复合结构材料结合界面更加规则均匀理想,结合界面附近几乎没有孔隙,粉末压实部分孔隙度更小且孔隙的尺寸更小,均匀致密性更好,但粉末压实层硬度更低。使用粒径3μm的混合粉末与23μm的混合粉末,后者制备的W-Cu粉复合材料,粉末压实部分均匀致密性更好,孔隙度更小且孔隙的尺寸更小,粉末压实层密度更大,但硬度更低。     

W-Cu复合材料在不同电压下的电弧烧蚀性能研究

使用化学镀的方法制得包覆完整的W-Cu复合粉末,随后采用热压烧结法制得分布均匀、界面结合良好的W-Cu复合材料。在2、4、6和8 kV不同电压下对W-Cu复合材料进行电弧烧蚀实验,发现随着电压的升高,击穿电流增大,电极之间放电距离增大,击穿强度降低,燃弧时间增长。利用扫描电子显微镜及3D激光共聚焦显微镜观察材料表面在不同电压下的烧蚀形貌变化,发现随着电压的升高,烧蚀面积增加,表面凸起高度增加,8 kV时局部烧蚀区域出现微裂纹。拉曼光谱显示材料表面经过烧蚀后形成CuO。W-Cu复合材料电弧烧蚀机理主要包括阴极Cu的融化,飞溅,以及氧化。     

机械合金化W-Cu固溶体的形成机理

采用W-15%Cu和W-25%Cu两种复合粉,开展了机械合金化诱导W-Cu固溶度扩展机制的研究.研究表明:两种粉末经8 h高能球磨后,Cu固溶入W中形成固溶体.机械合金化诱导W-Cu固溶度扩展的主要机制,一方面是高能球磨过程中所引起的粒子纳米化,形成大量的纳米界面,许多原子"储存"在这些纳米晶界上,诱导W-Cu固溶浓度扩展.另一方面是机械合金化过程晶格严重畸变,晶粒内部生成高密度缺陷,成为溶质快速扩散的网络通道,诱导过饱和固溶体的形成.