難熔金屬浸滲復合材料力學性能和抗燒蝕性能研究

張保紅，林冰濤，唐亮亮

(安泰科技股份有限公司，安泰天龍鎢鉬科技有限公司，北京 100094)

難熔金屬浸滲復合材料力學性能和抗燒蝕性能研究

張保紅，林冰濤，唐亮亮

(安泰科技股份有限公司，安泰天龍鎢鉬科技有限公司，北京 100094)

采用熔滲法制備了兩種難熔金屬浸滲復合材料，分別為鎢滲銅復合材料和鉬滲銅復合材料，牌號為W-7Cu和Mo-10Cu。對兩種材料進行了物理力學性能，如：室溫抗拉強度、高溫(800 ℃、1 200 ℃、1 600 ℃)抗拉強度、室溫斷裂韌度、室溫彈性模量以及抗燒蝕性能的對比研究。結果表明：W-7Cu材料具有更好的力學性能和抗燒蝕性能，室溫抗拉強度為728 MPa，1 600 ℃抗拉強度達到86 MPa；電弧風洞試驗2 500 K溫度下，線燒蝕速率為0.231 mm/s。Mo-10Cu材料具有更好的韌性，室溫斷裂韌度為41 MPa·m1/2。

難熔金屬；浸滲；復合材料；力學性能；抗燒蝕

0 引 言

鎢鉬等難熔金屬及其復合材料，由于具有高的熔點以及一些特有的性能，歷來被作為高新材料加以發展，在國民經濟中占有重要地位[1]。

近年來，隨著科學技術的發展，對材料提出了更加苛刻的要求，難熔金屬及其復合材料越來越顯示出它獨特的優越性，尤其是在航空航天、電子信息、能源、冶金、核工業等領域有著不可替代的作用。如：鎢(鉬)銅復合材料廣泛被用作電子封裝和熱沉積材料，同時，還作為耐高溫抗燒蝕材料，廣泛應用于航空航天領域。鎢(鉬)銅復合材料制備方法有多種，主要有高溫液相燒結法、熔滲法、活化液相燒結法、機械合金化等[2-19]。本文作者采用熔滲法制備了W-Cu和Mo-Cu復合材料，并對其物理力學性能和高溫抗燒蝕性能進行了對比研究。

1 試驗方法

1.1 制備工藝

采用熔滲法制備W-Cu和Mo-Cu兩種難熔金屬浸滲復合材料，分別為W-7Cu和Mo-10Cu牌號。

制備工藝流程：粉末處理→冷等靜壓→高溫燒結→熔滲→機械加工→試樣。

1.2 分析測試

1.2.1 微觀組織

采用金相和SEM進行組織分析。

1.2.2 力學性能

采用萬能電子試驗機進行室溫抗拉強度和高溫抗拉強度分析；采用斷裂韌度試驗機進行斷裂韌度的檢測，試樣缺口采用直徑為0.1 mm的鉬絲切割缺口。

1.2.3 彈性模量

檢測方法采用懸絲耦合共振法，試樣尺寸為φ6×160 mm。

1.2.4 燒蝕試驗

采用電弧風洞試驗進行高溫抗燒蝕試驗，燒蝕試驗溫度為2 500 K。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

2.1.1 抗拉強度

圖1為W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的室溫抗拉強度和高溫抗拉強度。

圖1 室溫和高溫抗拉強度

從數據對比可以看出，室溫條件下，W-7Cu材料的抗拉強度更高，達到728 MPa，Mo-10Cu材料的抗拉強度為502 MPa；1 600 ℃真空條件下，W-7Cu材料的抗拉強度達到86 MPa，Mo-10Cu材料的抗拉強度為50 MPa。

對比研究可見，W-7Cu材料的室溫抗拉強度和高溫抗拉強度都明顯高于Mo-10Cu材料。

2.1.2 斷裂韌度

圖2為W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的斷裂韌度。

圖2 兩種材料的斷裂韌度

從數據來看，Mo-Cu 材料的斷裂韌度值更高，達到41 MPa·m1/2，而W-7Cu材料的斷裂韌度值明顯低，僅為14 MPa·m1/2，說明脆性更大。

2.1.3 彈性模量

圖3為W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的彈性模量。

圖3 兩種材料的彈性模量

從數據看，W-7Cu材料的彈性模量更大，為341 GPa，說明W-7Cu材料的維形能力較好，在使用過程中不易發生變形。而Mo-10Cu材料的彈性模量明顯較低，為268 GPa，在高溫下使用容易發生變形。

2.2 抗燒蝕性能分析

不同材料的燒蝕時間不同，如表1所示，時間的長短是根據當時電弧風洞試驗設備的狀態確定的，時間過長，材料燒蝕過于嚴重時會損壞設備的某些部件，此時須停止試驗。

表1 W-7Cu材料和Mo-10Cu材料的燒蝕時間

從燒蝕試驗看，W-7Cu材料方案的試驗件抗燒蝕時間長一些。Mo-10Cu材料方案的試驗件抗燒蝕的時間明顯較短。

2.2.1 燒蝕失重分析

對兩種材料進行了表1所示燒蝕時間時的燒蝕失重分析，并計算了單位時間內重量損失率，便于不同材料的對比。重量損失率見圖4。

從數據可以看出，W-7Cu材料的失重率更大，為4.46%，Mo-10Cu材料的失重率較小，為2.15%；但由于不同材料的燒蝕時間不同，單方面從重量損失率并不能說明問題，因此，本文計算了單位時間的重量損失率，即平均燒蝕1 s時間的重量損失率，便于對比分析。

從單位時間的重量損失率數據來看，W-7Cu材料的單位時間燒蝕失重率更小，為0.14%，說明W-7Cu的抗燒蝕性能明顯優于Mo-10Cu材料。

2.2.2 線燒蝕分析

對兩種材料進行了表1所示燒蝕時間的線燒蝕情況分析，如圖5所示。

圖4 兩種材料的燒蝕失重情況

圖5 兩種材料的線燒蝕情況

從線燒蝕率數據可以看出，Mo-10Cu材料的線燒蝕率大，為9.14%，W-7Cu材料的線燒蝕率較低，為7.06%。為了便于對比，計算了線燒蝕速率。從線燒蝕速率來看，W-7Cu的線燒蝕速率遠遠小于Mo-10Cu材料，為0.231 mm/s，進一步說明W-7Cu材料的抗燒蝕性能更優。

2.2.3 燒蝕形貌分析

材料的燒蝕形貌如圖6所示。從燒蝕照片看，材料基本為均勻燒蝕，試樣的最前端燒蝕最嚴重，并且厚度有明顯的減薄現象，表面均有氧化現象發生，在試驗件表面有明顯的鎢或者鉬的氧化物存在。由于氧化物的熔點低，所以在試驗件表面有熔化和被氣流沖刷的現象。W-7Cu材料最前端呈現參差不齊的形貌，這與W-7Cu材料的斷裂韌度低有關系，表現出了明顯的脆性。

W-7Cu、Mo-10Cu材料均為浸滲復合材料，因為銅的熔點較低(1 083 ℃)，試驗過程中存在銅的析出現象，反映在試驗后試樣表面能夠看出有熔化的銅存在。銅的蒸發能夠起到發汗冷卻的效果，有利于提高材料的抗燒蝕性能。

圖6 兩種材料的燒蝕形貌

2.2.4 微觀組織分析

W-7Cu、Mo-10Cu材料均為浸滲復合材料，微觀組織結構相似，金相組織為紅色銅連續填充在鎢(鉬)骨架孔隙中，組織均勻。在燒蝕的過程中，有大量的銅析出而導致存在大量孔洞。

以W-7Cu材料為例，說明如下：圖7(a)為W-7Cu材料的金相組織，紅色的銅均勻填充在鎢骨架孔隙中，組織相對均勻。圖7(b)為試樣燒蝕后的金相組織，有明顯的孔洞存在。

圖7 W-7Cu材料燒蝕前后金相組織

3 結 論

(1)W-7Cu材料的室溫和高溫力學性能明顯優于Mo-10Cu材料，室溫抗拉強度達到728 MPa，1 600 ℃抗拉強度達到86 MPa。

(2)W-7Cu材料的抗燒蝕性能明顯優于Mo-10Cu材料，電弧風洞試驗2 500 K溫度條件下，W-7Cu材料線燒蝕速率為0.231 mm/s。

(3)Mo-10Cu材料的韌性優于W-7Cu材料，室溫斷裂韌度為41 MPa·m1/2。

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專利名稱：一種乳房腫物鉬靶二維定位尺

專利申請號：CN201520747661.0

公開號：CN204995499U

申請日：2015.09.25

公開日：2016.01.27

申請人：崔建春

本實用新型提供一種乳房腫物鉬靶二維定位尺，是一個片板或片膜，是一個膜片，以膜片一邊的中點為圓心有多條等距離的半圓線，從圓心輻射出多條等間隔的經向線，經向線和半圓線是由不透射線且對乳腺組織的影像影響最小的金屬制成。其優點在于：不接觸患者膚體，定位精確，使用方便。

RESEARCHONMECHANICALPROPERTIESANDABLATIONRESISTANCEOFREFRACTORYMETALINFILTRATIONCOMPOSITES

ZHANG Bao-hong,LIN Bing-tao,TANG Liang-liang

(Advanced Technology & Materials Co.,Ltd., ATTL Advanced Materials Co., Ltd., Beijing 100094,China)

Tungsten infiltrated copper composites and molybdenum infiltrated copper composites were prepared by infiltration, the grades are W-7Cu and Mo-10Cu.Properties of the materials were studied,such as tensile strength, fracture toughness, elastic modulus and ablation resistance.The results show that the tensile strength and ablation resistance of W-7Cu are better.The tensile strength is 728 MPa at 25 ℃ and 86 MPa at 1 600 ℃, the linear ablation rate is 0.231 mm/s at 2 500 K.Mo-10Cu has better toughness, the fracture toughness at room temperature is 41MPa·m1/2.

refractory metal;infiltration；composite;mechanical property;ablation resistance

TG146.4+12

A

1006-2602(2017)05-0049-04

2017-08-22；

2017-09-20

張保紅(1972—)，女，碩士，高級工程師，長期從事難熔金屬及其復合材料的研究。

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.05.011

E-mail：zhangbaohong@atmcn.com