简介概要

熔铸-扩散法制备黄铜/钨铜功能梯度材料的研究

来源期刊：稀有金属2005年第5期

论文作者：李明崔舜宋月清陆艳杰周增林惠志林

关键词：黄铜/钨铜; 功能梯度材料; 熔铸-扩散法;

摘要：对用熔铸-扩散法制备的黄铜/钨铜功能梯度材料进行了研究, 对界面区域的元素成分分布和微观组织结构进行了分析, 对界面区域的电导率、结合强度及抗脉冲大电流损伤性能进行了测试.结果表明: 用该法制备的黄铜/钨铜功能梯度材料, 界面区域由成分和组织渐变的三层结构组成;电导率在界面区域呈渐变分布趋势, 没有出现电导率突变现象;这种结构缓解了因热性能不匹配而造成的热应力, 提高了黄铜与钨铜合金的结合强度;界面的抗脉冲大电流损伤性能良好.

稀有金属 2005,(05),768-772 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.05.038

熔铸-扩散法制备黄铜/钨铜功能梯度材料的研究

宋月清崔舜惠志林周增林陆艳杰

北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所,北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所,北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所,北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所,北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所,北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

对用熔铸-扩散法制备的黄铜/钨铜功能梯度材料进行了研究, 对界面区域的元素成分分布和微观组织结构进行了分析, 对界面区域的电导率、结合强度及抗脉冲大电流损伤性能进行了测试。结果表明:用该法制备的黄铜/钨铜功能梯度材料, 界面区域由成分和组织渐变的三层结构组成;电导率在界面区域呈渐变分布趋势, 没有出现电导率突变现象;这种结构缓解了因热性能不匹配而造成的热应力, 提高了黄铜与钨铜合金的结合强度;界面的抗脉冲大电流损伤性能良好。

关键词：

黄铜/钨铜;功能梯度材料;熔铸-扩散法;

中图分类号： TB34;

收稿日期：2005-05-12

Investigation on Brass/W-Cu Alloy Functionally Graded Material (FGM) by Infiltration-Diffusion Method

Abstract：

W-Cu/brass functionally graded material (FGM) was fabricated by infiltration-diffusion method.The composition and microstructure of brass/W-Cu FGM′s interface zone were analyzed.The electrical conductivity, the joint tensile strength, and the high current instantaneous impulse damage resistance of brass/W-Cu FGM′s interface zone were tested.The results show that the graded composition and microstructure of the graded three-layer brass/W-Cu FGM fabricated by infiltration-diffusion method release the thermal stress because of different thermal expansion in a given temperature field, and the joint tensile strength of interface zone is improved;the mutation of the electrical conductivity in interface zone is not found;the high current instantaneous impulse damage resistance of brass/W-Cu FGM′s interface is good.

Keyword：

brass/W-Cu;functionally graded material;infiltration-diffusion method;

Received： 2005-05-12

在Z-Pinch装置中, 黄铜/钨铜复合材料常用于制备承受瞬态脉冲大电流的开关电极, 以利用钨铜的耐电弧侵蚀、抗熔焊、高强度等特性 ^[1] , 和黄铜的耐电弧侵蚀与使用寿命较长等综合性能良好的特性 ^[2] 。目前, 黄铜/钨铜复合材料电极一般都由焊接或热压的方法直接制备而成。由于钨铜和黄铜的物理性能相差很大 (如黄铜热膨胀系数为20.6×10^-6/℃, 钨铜为7.0×10^-6/℃) , 在使用中, 黄铜/钨铜复合材料电极常常会因残余热应力的存在而引起电极变形、间隙改变, 导致电极出现松动, 甚至脱落等现象, 严重影响开关的性能。因此, 一般的黄铜/钨铜复合材料已不能满足要求。由于梯度功能材料最关键的特点之一, 就是沿一定的方向其成分和组织呈连续或准连续变化, 使物理、化学、生物等单一或复合性能发生连续或阶梯变化, 从而缓解因热性能不匹配而造成的热应力 ^{[3,4,5,6,7,8]} 。黄铜/钨铜梯度功能材料的设计便成为解决这一问题的最佳方法之一。

本文通过设计中间过渡层的成分和微观组织结构, 采用熔铸-扩散法成功地制备出黄铜/钨铜功能梯度材料, 实现了黄铜与钨铜合金的高强度低应力连接, 针对其过渡层的相关组织进行了分析, 同时对其过渡层成分、电导率、拉伸性能以及抗大电流瞬态脉冲损伤性能进行了测试。

1 实验

本文提出了一种制备功能梯度材料的新方法, 即熔铸-扩散法, 并用该法成功制备了黄铜/钨铜功能梯度材料。该法的基本工艺过程如下所述:

用粉末冶金法制备钨铜合金 (重量比W∶Cu=85∶15) , 在钨铜合金外表面, 逐层铺设成分不同的过渡体, 过渡体中的成分呈梯度分布。经表面预处理后, 将其置于黄铜圆筒体中央, 热压形成具有一定强度的“钨铜芯层-过渡层-黄铜外层”三层复合结构材料, 其纵截面结构示意图如图1所示。经高温熔铸后, 采用高温定向扩散烧结技术将三者连接在一起制备成黄铜/钨铜功能梯度材料。即, 用该法制备黄铜/钨铜功能梯度材料的基本工艺流程为: 制备钨铜-表面处理-热压成型-黄铜熔铸-定向扩散。

图1 黄铜/钨铜功能梯度材料三层结构示意图

Fig.1 Three-layer structure profile of Brass/W-Cu functionally graded material

2 结果与分析

2.1 界面微观组织结构

黄铜和钨铜的热膨胀系数相差较大, 二者直接复合时会造成连接界面残余内应力过高, 在连接处产生应力裂纹, 降低界面结合强度。本文讨论的黄铜/钨铜功能梯度材料由三层材料构成, 即外部黄铜层、中间过渡层和芯部钨铜层。通过设计中间过渡层的成分和微观组织结构, 黄铜与过渡层界面, 以及过渡层与钨铜界面, 可以改进黄铜与钨铜合金的界面结合状况, 从而较好地实现黄铜与钨铜合金的高强度低应力连接。

在不同放大倍数下黄铜和过渡层的界面微观结构如图2所示, 黄铜和过渡层的界面结合完好, 没有裂纹、气孔等缺陷。在放大倍数较低 (×50) 时, 黄铜和过渡层的连接边界呈“黑带”状, “黑带”左侧白色部分显示为黄铜, “黑带”右侧为过渡层。在放大倍数较高 (×200) 时, 黄铜和过渡层的边界明显。过渡层中白亮部分显示为钨分布, 黑色部分为铜分布。

图3为黄铜/钨铜功能梯度材料在不同放大倍数下的钨铜和过渡层界面微观结构图。放大倍数较低 (×50) 时, 钨铜层和过渡层界面组织结构差距不明显。放大倍数较高 (×200) 时, 钨铜层和过渡层的微观结构明显呈梯度变化。其中, 过渡层中钨 (白亮部分) 分布较多, 钨铜层中铜 (黑色部分) 分布较多, 从过渡层到钨铜层钨分布逐渐增多, 铜分布逐渐减少。钨铜层和过渡层之间没有明显的边界, 只有模糊的边界区域存在。

由图2和3可见, 黄铜/钨铜功能梯度材料的过渡层组织变化较为平缓, 从黄铜层到过渡层, 再到钨铜层, 铜的分布逐渐减少, 钨的分布却相反, 梯度分布趋势明显, 尤其是在钨铜层和过渡层界面更为突出。这种逐渐过渡组织形成的原因, 主要与过渡层成分、粉末颗粒尺寸的选择以及加工工艺等因素有关。通过控制表面预处理、热压以及定向扩散工艺参数, 可以实现过渡层的渐变组织结构。

采用EDX对在黄铜/钨铜功能梯度材料过渡层区域附近的元素成分分布进行了半定量分析, 在图4中沿钨铜层向黄铜层垂直方向上依次等距测试了5点, 分析结果如表1, 图5为对应的W, Cu和Zn原子分数分布, 显然, 在界面区域沿钨铜层向黄铜层方向, W分布呈逐步降低的渐变趋势, Cu分布和Zn分布逐步升高。进一步证明黄铜/钨铜功能梯度材料界面附近的成分具有一定的梯度分布。

图2 黄铜层和过渡层的界面

Fig.2 Interface zone of brass layer and transition layer

(a) ×50; (b) ×200

图3 过渡层和钨铜层的界面

Fig.3 Interface zone of W-Cu layer and transition layer

(a) ×50; (b) ×200

2.2 界面导电特性

黄铜/钨铜功能梯度材料在界面附近的电导率测试结果如图6所示。由图可知, 在界面区域沿钨铜层向黄铜层方向, 电导率呈逐步降低的渐变分布趋势, 界面没有出现电导率突变现象。过渡层的导电性能介于钨铜层和黄铜层之间, 且沿钨铜层向黄铜层方向, 电导率逐步降低。这种现象也表明黄铜/钨铜功能梯度材料界面附近的性能具有一定的梯度性质。这主要是因为在黄铜/钨铜梯度过渡层中, 沿钨铜层向黄铜层方向, Zn分布呈明显的上升趋势 (图5) 。高温下Zn容易和铜发生固溶反应, 形成电导率较低的铜锌固溶体, 从而降低了过渡层的导电性能。

图4 黄铜/钨铜功能梯度材料的界面情况

Fig.4 Interface condition of the Brass/W-Cu functionally graded material

表1界面区域不同部位W, Cu和Zn的含量 (%, 原子分数)

Table 1Atomic percentage of W, Cu and Zn in different sites of interface zone (%)

元素	1	2	3	4	5
Zn	0.2831	2.0671	8.2592	25.9066	38.9829
Cu	14.0164	16.3345	28.9979	46.7362	60.3406
W	85.7005	81.5984	62.7429	27.3572	0.6765

图5 黄铜/钨铜功能梯度材料界面区域的元素成分分布

Fig.5 Element composition distribution of Brass/W-Cu FGM′s interface zone

2.3 界面结合强度

图7为黄铜/钨铜功能梯度材料试样在抗拉强度试验时的断裂情况。由图7 (a) 可知, 在拉伸过程中试样出现了两种断裂形式, 即在过渡层与黄铜层的结合面断裂和在黄铜端断裂。图7 (b) 是工艺优化后的试样在拉伸过程中的断裂情况。由图7 (b) 可见, 黄铜/钨铜功能梯度材料试样的黄铜层一侧发生了明显塑性变形, 拉断试样的断裂部位出现在黄铜端, 而钨铜层和过渡层的塑性变形不明显, 过渡层和钨铜层的结合界面以及过渡层和黄铜层的结合界面仍保持完好, 没有空洞和裂纹等缺陷存在。分析认为, 在高温熔铸-扩散过程中, 黄铜以液态形式存在, 钨铜层和过渡层整体以固态形式存在 (局部为微熔融态) 。处于塑性流动状态的Cu, Zn组元通过流体流动或原子扩散等自然传输现象向过渡层表面传递 ^[9] 。在W, Cu, Zn三组元半熔融体系中, 界面区域存在的浓度梯度必然导致低熔点组元沿高浓度向低浓度方向长程扩散, 进入过渡层与W颗粒之间的粘结相形成冶金结合, 从而使结合面具有一定的强度。同时, 分析认为, 黄铜/钨铜功能梯度材料的界面结合强度不仅和材料本身的物理化学性能有关, 而且还和结合面处材料的氧化、碳化、成分偏聚、洁净度、杂质分布以及材料的烧结工艺有关 ^[10] 。表2列出了该法制备的黄铜/钨铜功能梯度材料的拉伸性能。

图6 黄铜/钨铜功能梯度材料界面区域的电导率分布

Fig.6 Electrical conductivity distribution of Brass/W-Cu FGM′s interface zone

图7 黄铜/钨铜梯度材料拉伸时的断裂情况

Fig.7 Rupture condition in tensile strength tests of Brass/W-Cu FGM

(a) 两种断裂形式; (b) 黄铜端断裂

表2 黄铜/钨铜梯度材料的拉伸实验结果

Table 2Tensile strength test results of Brass/W-Cu FGM

试样	抗拉强度/MPa	断后伸长率/%	断裂位置	断口情况
1	205	30.5	黄铜端	粗糙
2	220	29.0	黄铜端	粗糙
3	200	33.0	黄铜端	粗糙
4	200	20.5	连接处	粗糙

2.4 界面抗损伤特性

将黄铜/钨铜功能梯度材料加工成200 kV场畸变开关的盘形触发电极, 在200 kV直流开关实验平台上对该场畸变开关进行1000次脉冲大电流考核实验, 以检测其抗脉冲大电流损伤特性, 触发盘承受的瞬态脉冲电流约为350 kA。对大电流考核实验前后开关的自击穿电压平均值进行比较, 检验开关自击穿电压的一致性。

图8为盘形触发电极在200 kV直流开关实验平台上承受1000次脉冲后电极的情况。显而易见, 黄铜/钨铜功能梯度材料经1000次大电流瞬态脉冲后, 未见明显损伤, 钨铜合金与黄铜结合界面完好, 没有出现分离、移位、起裂等现象。大电流考核实验前后开关的自击穿电压平均值误差在10%以内, 满足大电流开关对自击穿电压平均值小于15%的要求。试验结果表明, 黄铜/钨铜功能梯度材料界面的抗脉冲大电流损伤性能良好, 其综合性能达到预期目标, 完全满足Z-Pinch实验平台在大功率下运行对开关电极材料的需求。