鉬粉粒度均勻性對鉬滲銅材料組織的影響

張丹華,張保紅,林冰濤,唐亮亮,郭穎利,杜麗業(yè)

(1.安泰科技股份有限公司,北京 100081)(2.安泰天龍(北京)鎢鉬科技有限公司,北京 100094)

0 引 言

鉬由于具有高的熔點及一些特有的性能,歷來被作為高新材料加以發(fā)展,在國民經(jīng)濟中占有重要地位[1]。

近年來,科學技術的發(fā)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(yōu)越性,尤其是在航空航天、電子信息、能源、冶金、核工業(yè)等領域有著不可替代的作用。如鉬滲銅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。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[2-11]。微觀組織均勻性和連續(xù)性是影響鉬滲銅材料使用性能的重要因素。通過超聲波探傷檢測材料內(nèi)部缺陷是檢測產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段[12]。

本文采用熔滲法制備了鉬滲銅材料,通過金相觀察微觀組織、超聲波探傷儀檢測材料內(nèi)部缺陷,分析鉬滲銅材料的主要原材料鉬粉的粒度均勻性對鉬滲銅材料組織均勻性的影響。

1 試驗方法

1.1 制備工藝

采用熔滲法制備鉬滲銅材料,牌號Mo-10Cu。

制備工藝流程:鉬粉處理→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 粒度分布

采用激光粒度分析儀對鉬粉進行粒度分布測試,分析粉末粒度分布均勻性。

1.2.2 金相和SEM

采用SEM對鉬粉的顆粒均勻性進行觀察,采用金相對鉬滲銅材料進行組織均勻性分析。

1.2.3 無損檢測

采用超聲波探傷儀對鉬滲銅材料的內(nèi)部缺陷進行檢測。

2 試驗結果與分析

2.1 鉬粉粒度測試結果

對4個批次鉬粉粒度進行了分析,結果見表1。

為了分析鉬粉粒度分布對鉬滲銅材料組織均勻性的影響,對4個批次鉬粉的粒度分布進行了詳細分析。不同批次原料的粒度累積百分含量如圖1(a)所示,不同批次原料的粒度分段百分含量如圖1(b)所示。

圖1 不同批次原料粒度分布情況

由圖1(a)可以看出:原料批次按照粒度累積百分含量由大到小依次為P1、P2、P3、P4,即整體的粒度從小到大依次為P1、P2、P3、P4。

由圖1(b)可以看出:P3和P4批次在20～39.8 μm的范圍粒度分段百分含量最高,10～20 μm及更小的粒度段百分含量最低。相比P1和P2批次,P3和P4批次粗顆粒的粒度段百分含量更高,對比P3與P4兩個批次可以看出,P3批次的粒度分布范圍明顯窄,且在低粒度段和高粒度段的百分含量均低于P4批次,即P3批次的粒度均勻性更好。

2.2 鉬粉SEM分析結果

對4個批次的鉬粉進行了SEM分析,結果如圖2所示。

圖2 不同批次粉末形貌

從圖2可以看出:P1和P2批次粉末有大量的細顆粒鉬粉(2 μm及以下),且局部存在細顆粒鉬粉的團聚現(xiàn)象;P4批次有少量的細顆粒鉬粉,團聚現(xiàn)象不明顯;P3批次鉬粉粒度均勻性很好,且無粉末團聚現(xiàn)象。

2.3 鉬滲銅材料無損檢測

采用超聲波探傷方法對不同批次原料制備的鉬滲銅材料進行內(nèi)部缺陷的檢測。不同批次的鉬滲銅材料的超聲波探傷圖像如圖3所示。

圖3 不同批次鉬粉制備的鉬滲銅材料超聲波探傷圖像

試樣為板材,尺寸為:100 mm×70 mm。圖3的橫向為70 mm方向,縱向為100 mm方向。

由圖3可見:4個批次原料的鉬滲銅材料中,P1和P2批次原料制備的鉬滲銅材料都出現(xiàn)了較大面積的滲透不均勻性;P3批次原料的鉬滲銅材料未發(fā)現(xiàn)滲透不均勻的現(xiàn)象,P4原料批次的鉬滲銅材料出現(xiàn)少量的滲透不均勻。說明P1和P2原料批次鉬滲銅材料的滲透性較差,即滲銅均勻性不佳。

根據(jù)P1批次鉬粉原料鉬滲銅材料的超聲波探傷情況,結合前面提到的該批原料的粒度分布及微觀形貌檢測情況,認為該批原料制備的鉬滲銅材料的滲銅性能不佳的問題,是由于該原料粉末中存在相對較多的細顆粒粉末,且存在粉末團聚板結現(xiàn)象。由于細顆粒團聚板結塊在燒結中極易孔隙過細或形成閉孔,造成滲銅路徑的不連通,從而導致滲銅難度增加,難以滲透并難以保證均勻性。

2.4 鉬滲銅材料微觀組織分析

對超聲波探傷有缺陷和無缺陷的位置取樣,進行SEM和金相觀察,結果如圖4所示。

圖4 無缺陷位置和有缺陷位置微觀組織

由圖4(a)、(c)可以看出:不同批次鉬粉制備的鉬滲銅材料,無缺陷位置的試樣微觀組織連續(xù),為紅色銅連續(xù)填充在鉬骨架孔隙中,組織均勻,無明顯孔洞、裂紋和大面積滲銅不均等缺陷。由圖4(b)、(d)可以看出:有缺陷位置的試樣斷口局部區(qū)域有多處存在孔洞,有的位置孔洞較大,有的位置則為面積型的密集細小的不連續(xù)孔洞,最大面積約60 μm×100 μm。從斷口形式看,有缺陷和無缺陷試樣兩者的斷口均以穿晶斷裂和沿晶斷裂兩種方式并存。

2.5 討 論

不同批次鉬粉制備的鉬滲銅材料的組織是不同的。在粉末粒度均勻性好的情況下,制備的鉬滲銅材料的微觀組織均勻性好,無明顯缺陷;而粒度不均勻,尤其細顆粒粉末含量較高或有團聚的情況下,制備的鉬滲銅材料的微觀組織局部存在鉬顆粒聚集區(qū)域和細小的不連續(xù)孔洞,未發(fā)現(xiàn)大的連續(xù)性孔洞、裂紋和滲銅不均等結構缺陷。所謂的“小面積滲銅不均”實際是“密集微孔聚集”,表現(xiàn)為面積型滲銅不均,這是由鉬滲銅材料的組織結構和工藝特點所決定的。

從微觀上講,鉬滲銅材料是由鉬和銅兩相所形成的假合金,其組織存在差異,這種差異體現(xiàn)在以下2個方面。(1)鉬骨架:由于鉬粉粒度呈正態(tài)分布,粉末顆粒大小不均勻,造成燒結后的鉬骨架密度微觀上的差異。會存在局部高骨架密度或者局部低骨架密度的現(xiàn)象;(2)銅含量:鉬粉粒度的不均勻,決定了鉬骨架孔隙分布和大小的差異,從而造成孔隙中滲入的銅相含量的不同,存在高含銅量或者低含銅量的區(qū)域。

密集型微孔的出現(xiàn)主要有3方面的原因:(1)粉末中吸附的氣體被封閉在材料中,燒結過程中無法逸出,形成閉孔;(2)局部開孔中沒有滲入銅;(3)局部開孔中雖然滲入了銅,由于銅和鉬熱膨脹系數(shù)的差異,導致冷卻過程中產(chǎn)生疏松或縮孔。微孔是粉末冶金材料的組織特點,生產(chǎn)中無法完全避免。但是可以通過調(diào)控粉末的粒度均勻性,盡量減少微孔出現(xiàn)。

2.6 改進建議

提高鉬滲銅材料均勻性的一個重要因素是從原料入手,可采用粉末球磨、粒度分級等手段提高原料的粒度均勻性,將大量的細顆粒或團聚粉末去除,就有可能可以達到比較好的滲銅性能。

3 結 論

(1)粉末粒度均勻性對滲銅性能有影響,粉末存在細顆粒較多或者團聚現(xiàn)象會導致鉬滲銅骨架局部細小孔隙聚集,且這些聚集的小孔隙難以滲入銅,造成超聲波探傷滲銅均勻性不佳。

(2)研究結果表明:超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的“面積型滲銅不均”實際是“密集微孔聚集”。