【摘 要】
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在中高压电触头应用领域,需要满足钨铜复合材料低成本和短工序的制备需求。对于冶金不混溶的钨铜体系,传统冶金方法制备的钨铜复合材料存在界面易出现缺陷、钨颗粒粗大、组织均匀性差等问题,对于目前已有的钨铜复合材料制备改进工艺存在的多工序、高成本、低效率的现状,提出一种新型、高效、低成本、高质量的钨铜复合材料冶金新方法。本文以实现高效、短工序制备高性能的钨铜复合材料为目的,对形变驱动冶金（Deformati
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在中高压电触头应用领域,需要满足钨铜复合材料低成本和短工序的制备需求。对于冶金不混溶的钨铜体系,传统冶金方法制备的钨铜复合材料存在界面易出现缺陷、钨颗粒粗大、组织均匀性差等问题,对于目前已有的钨铜复合材料制备改进工艺存在的多工序、高成本、低效率的现状,提出一种新型、高效、低成本、高质量的钨铜复合材料冶金新方法。本文以实现高效、短工序制备高性能的钨铜复合材料为目的,对形变驱动冶金（Deformation-Driven Metallurgy,DDM）制备钨铜复合材料的方法及其组织与性能开展了相关研究。验证了DDM制备钨铜复合材料的可行性,研究了工艺参数对复合材料成形和微观组织的影响,揭示了复合材料组织的演变规律与其关键服役性能的具体强化机制,研究了复合材料多尺度的组织与性能演变规律以及热处理再调控方法。对一定配比的钨铜粉末球磨制备出的钨铜复合粉末进行DDM,制备出了致密的、成形良好的钨铜复合材料。冶金模具的转速和处理时间是影响复合材料宏观成形和微观组织的主要因素,通过调整工艺参数可直接影响材料内部钨颗粒的结构和分布。在1000 rpm转速、90 s冶金时间下,W-30Cu复合材料的成形良好,硬度与致密度较传统冶金方法更高,分别达到了299.8 HV和99.2%。原始的钨粉末在冶金的过程中被破碎成为微米-亚微米-纳米尺度的碎片,这些细碎钨颗粒与组织中未完全破碎的大颗粒共同弥散而均匀地分布在铜基体中,形成了钨铜复合材料多尺度的微观组织。DDM过程中引入了热输入与大塑性变形,满足了铜的动态再结晶条件,使其发生再结晶而形成细小的等轴晶粒,而原始钨粉末则在大塑性变形的作用下被剪切成为细碎的钨颗粒弥散分布在复合材料的组织中并进一步抑制铜晶粒长大。有限元仿真结果进一步证明了冶金模具的转速直接影响了热输入、等效应变与材料流动行为,模拟结果与实验结果保持一致。细碎的钨颗粒随材料流动在铜相中弥散分布,消除了钨颗粒之间的薄弱富铜区间隙,使钨铜复合材料耐磨性提高,在摩擦磨损曲线、磨痕深度和磨屑尺寸上均有表现。在电弧烧蚀的环境下,钨颗粒弥散程度的增加有效地起到了分散电弧的作用,降低了电弧的比烧蚀强度,有效地提升了复合材料的抗电弧烧蚀能力。降低了原始钨粉末粒径后,钨铜复合材料的成形性和组织均匀性得到提升,转速1400 rpm、冶金时间90 s制备出的钨铜复合材料组织最均匀弥散、硬度最高。单层复合材料边缘的组织均匀性较中心位置更高,上方材料较下方材料更高,冶金的过程中能够同步使复合材料与铜底板形成有效的冶金连接。在DDM增材时,多次的DDM过程会同时影响下层已成形的钨铜复合材料组织,钨颗粒破碎程度随层数降低逐渐增加,硬度和耐磨性较单层材料逐层提高。DDM次数的增加也同时均匀化了下层已成形的材料整体的组织与性能,降低了复合材料层间界面的特征,证明了DDM增材过程的界面自修复和性能自强化特点。在600°C和800°C退火1h条件下,组织中的铜相均发生了再结晶行为,退火处理对钨铜复合材料的硬度和耐磨性影响较小,但有效地提升了复合材料的导电性,在800°C、1 h的退火条件下,复合材料的电导率由36.7 IACS%提升至43.9 IACS%,达到熔渗法理论电导率的82%。
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