References

powder

Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия

Powder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)

1997-308X2412-8767

НИТУ "МИСИС"

10.17073/1997-308X-2021-1-12-20

powder-587

Research Article

Процессы получения и свойства порошков

Production Processes and Properties of Powders

Формирование структуры псевдосплавов Cu–W при различных методах их получения

Structure forming of Cu–W pseudoalloys prepared in different routes

Вадченко

С. Г.

Vadchenko

S. G.

канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. лаборатории динамики микрогетерогенных процессов

142432, Московская обл., Ногинский р-н, г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Cand. Sci. (Phys.-Math.), leading researcher of Laboratory of dynamics of microheterogeneous processes

142432, Moscow region, Noginsk district, Chernogolovka, Academician Osip’yan str., 8

vadchenko@ism.ac.ru

Суворова

Е. В.

Suvorova

E. V.

инженер лаборатории динамики микрогетерогенных процессов

г. Черноголовка

engineer, Laboratory of dynamics of microheterogeneous processes

Chernogolovka

elsu1@mail.ru

Мухина

Н. И.

Mukhina

N. I.

технолог лаборатории физического материаловедения

г. Черноголовка

technologist, Laboratory of materials science

Chernogolovka

muxinanina2012@yandex.ru

Ковалев

И. Д.

Kovalev

I. D.

канд. физ.-мат. наук, науч. сотр. лаборатории рентгеноструктурных исследований

г. Черноголовка

Cand. Sci. (Phys.-Math.), researcher, Laboratory of X-ray investigation

Chernogolovka

i2212@yandex.ru

Илларионова

Е. В.

Illarionova

E. V.

инженер-исследователь лаборатории динамики микрогетерогенных процессов

г. Черноголовка

research engineer, Laboratory of dynamics of microheterogeneous processes

Chernogolovka

alchg@yandex.ru

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)РоссияMerzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science of the Russian Academy of Sciences (ISMAN)Russian Federation

2021

16032021

011220

2021

НИТУ "МИСИС"

https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://powder.misis.ru/jour/article/view/587

Проведено сравнение микроструктур сплавов, формирующихся при спекании смесей порошков вольфрама (ПВ2, средний размер частиц 3,8–6,0 мкм) и меди (ПМС-11, фракция 45–60 мкм), приготовленных различными методами – простым смешением порошков металлов; механической активацией (МА) порошков металлов; осаждением меди из раствора ее сульфата (CuSO4 ·5H2O) на порошок вольфрама при одновременной механической активации. Молярное соотношение металлов в смесях Cu/W = 1. Водный раствор для осаждения меди включал диэтиленгликоль (до 30 %), глицерин (до 8 %), фтористоводородную кислоту (до 0,1 %), смачиватель ОП-10 (до 0,8 %). Механическую активацию проводили в планетарной мельнице АГО-2 при загрузке в барабаны по 200 г стальных шаров и скорости вращения барабанов 2220 об/мин в течение 5 мин. Восстановленная медь в растворе и на воздухе быстро окисляется до оксида Cu2O, поэтому отмывку, сушку и хранение полученных композитных порошков проводили в атмосфере аргона. Спекание образцов, спрессованных из полученных порошков (таблетки диаметром 3 мм, высотой 1,5–2,0 мм и плотностью 7,7–8,0 г/см3), выполняли в аргоне при атмосферном давлении и температурах от 1000 до 1500°C. При спекании композитных частиц Cu–W можно выделить несколько областей протекания процесса. При температурах меньше температуры плавления меди происходит «твердофазное» спекание в точках контакта композитных частиц. При нагреве образцов от температуры плавления до 1200°C образцы из обычной смеси порошков металлов спекаются по жидкофазному механизму, образуя малопористый спек. Спекание композитных порошков, полученных МА при осаждении меди и МА смесей металлических порошков, приводит к расслоению образцов с образованием крупных пор, вытянутых перпендикулярно оси прессования и частично заполненных расплавом меди. При нагреве образцов, полученных МА порошков, выше 1400°C происходит фазоразделение, и практически вся медь вытесняется из образца на поверхность.

The microstructures of alloys formed during the sintering of tungsten powder mixtures (PV2, 3.8–6.0 μm average particle size) and copper (PMS-11, 45–60 μm fraction) prepared by various methods were compared. The methods included simple metal powder mixing, mechanical activation (MA) of metal powders, copper precipitation from the solution of its sulfate (CuSO4·5H2O) on tungsten powder with simultaneous mechanical activation. The molar ratio of metals in mixtures Cu/W = 1. An aqueous solution for copper deposition included diethylene glycol (up to 30 %), glycerin (up to 8 %), hydrofluoric acid (up to 0.1 %), wetting agent OP-10 (up to 0.8 %). Mechanical activation was carried out in an AGO-2 planetary mill with 200 g of steel balls charged into the drums rotating at 2220 rpm for 5 min. Reduced copper in the solution and in the air rapidly oxidizes to the Cu2O oxide, so the composite powders obtained were washed, dried, and stored in an argon atmosphere. Samples pressed from the powders obtained (tablets 3 mm in diameter, 1.5–2.0 mm in height with a density of 7.7–8.0 g/cm3) were sintered in argon at atmospheric pressure and temperatures from 1000 to 1500 °C. During the sintering of Cu–W composite particles, several areas of the process can be distinguished. «Solid phase» sintering occurs at the contact points of composite particles at temperatures lower than the copper melting point. When samples are heated from the melting point to 1200 °C, samples are sintered by the liquid-phase mechanism from the conventional mixture of metal powders to form a low-porous cake. When composite powders obtained by MA during the copper deposition and MA of metal powder mixtures are sintered, samples are delaminated with the formation of large pores elongated perpendicular to the pressing axis and partially filled with copper melt. When samples obtained by powder MA are heated above 1400 °C, phase separation occurs and almost all copper is displaced from the sample to the surface.

псевдосплавыосаждение меди из растворамеханическая активацияспеканиефазоразделение

pseudo-alloyscopper deposition from solutionmechanical activationsinteringphase separation

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-03-00438. Для выполнения исследований было привлечено оборудование Распределенного центра коллективного пользования ИСМАН.

The study was carried out under financial support of the Russian Foundation for Basic Research as part of Scientific Project No. 18-03-00438. The studies were conducted using the equipment of the ISMAN distributed Common Use Center.

References1

Hiroaki Okamoto. Desk handbook — phase diagrams for binary alloys. 2-nd ed. Ohio, USA: 2010. 44073-0002. www.asminternational.org.

Zhou Zhangjian, Kwon Y.S. Fabrication of W—Cu composite by resistance sintering under ultra-high pressure. J. Mater. Process. Technol. 2005. Vol. 168. No. 1. P. 107—111. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2004.11.008.

Zhou Z.J., Du J., Song S.X., Zhong Z.H., Ge C.C. Microstructural characterization of W/Cu functionally graded materials produced by a one-step resistance sintering method. J. Alloys Compd. 2007. Vol. 428. No. 1—2. P. 146—150. DOI: 10.1016/j.jallcom.2006.03.073.

Gupta R., Kumar R., Chaubey A., Kanpara S., Khirwadkar S., Bhoi B. Development of W—Cu functionally graded material by Spark Plasma Sintering Process for plasma facing component application. Trans. Powder Metall. Assoc. India. 2017. Vol. 43. No. 2. P. 55—61.

Zhou Z.J., Song S.X., Du J., Zhong Z.H., Ge C.C. Performance of W/Cu FGM based plasma facing components under high heat load test. J. Nucl. Mater. 2007. Vol. 363—365. P. 1309—1314. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.01.184.

Jiang G.S., Wang Z.F., Gu Y., Zhang Q.W., Gao Y., Kuang K. Fabrication of electronic packaging grade Cu—W materials by high-temperature and high-velocity compaction. IEEE Trans. Compon. Packag. Manufact. Technol. 2012. Vol. 2. No. 6. P. 1039—1042.

Крячко Л.А., Лаптев А.В., Толочин А.И., Бега Н.Д., Евич Я.И., Головкова М.Е., Лебедь А.В. Структура и свойства композита W—50%(об.)Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице. Электр. контакты и электроды. Киев: ИПМ НАН Украины, 2014. С. 75—89. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103988.

Kryachko L.A., Laptev A.V., Tolochin A.I., Bega N.D., Evich Ya.I., Golovkova M.E., Lebed A.V. The structure and properties of the composite W—50%(vol.)Cu, prepared using a tungsten powder, activated by grinding in a ball mill. Elektricheskie kontakty i electrody. Kiev: IPM NAS of Ukraine, 2014. P. 75—89 (In Russ.).

Johnson J.L., Brezovsky J.J., German R.M. Effects of tungsten particle size and copper content on densification of liquid-phase-sintered W—Cu. Metall. Mater. Trans. A. 2005. Vol. 36. P. 2807—2814. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0277-y.

Ghaderi Hamidi A., Arabi H., Rastegari S. Tungsten—copper composite production by activated sintering and infiltration. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2011. Vol. 29. No. 4. P. 538—541. DOI: 1016./j.ijrmhm.2011.03.009.

Jedamzik R., Neubrand A., Rödel J. Functionally graded materials by electrochemical processing and infiltration: application to tungsten/copper composites. 2000. J. Mater. Sci. Vol. 35. P. 477—486. https://doi.org/10.1023/A:1004735904984.

Dirks A.G., Van den Broek J.J. Metastable solid solutions in vapor deposited Cu—Cr, Cu—Mo, and Cu—W thin films. J. Vac. Sci. Technol. A. 1985. Vol. 3. P. 2618. https://doi.org/10.1116/1.572799.

Dongdong Gu. Laser additive manufacturing of high-performance materials. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2015. DOI: 10.1007/978-3-662-46089-4.

Ardestani M., Rafiei M., Salehian S., Reza Raoufi M., Zakeri M. Compressibility and solid-state sintering behavior of W—Cu composite powders. Sci. Eng. Compos. Mater. 2015. Vol. 22. No. 3. P. 257—261. DOI: 10.1515/secm-2013-0159.

Aydinyan S.V., Kirakosyan H.V., Zakaryan M.K., Abovyan L.S., Kharatyan S.L., Peikrishvili A., Mamniashvili G., Godibadze B., Chagelishvili E. Sh., Lesuer D.R., Gutierrez M. Fabrication of Cu—W nanocomposites by integration of self-propagating high-temperature synthesis and hot explosive consolidation technologies. Eur. Chem.Technol. J. 2018. No. 4. P. 301—309. http://dx.doi.org/10.18321/ectj763.

Ding L., Xiang D.P., Li Y.Y., Li C., Li J.B. Effects of sintering temperature on fine-grained tungsten heavy alloy produced by high-energy ball milling assisted spark plasma sintering. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2012. Vol. 33. P. 65—69. http://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2012.02.017.

Maneshian M.H., Simchi A., Razavi Hesabi Z. Structural changes during synthesizing of nanostructured W—20wt.%Cu composite powder by mechanical alloying. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 445—446. P. 86—93. http://doi.org/10.1016/j.msea.2006.09.005.

Чувильдеев В.Н., Нохрин А.В., Баранов Г.В., Москвичева А.В., Лопатин Ю.Г., Котков Д.Н., Благовещенский Ю.В., Козлова Н.А., Шотин С.В., Конычев Д.А., Пискунов А.В. Исследование структуры и механических свойств нано- и ультрадисперсных механоактивированных вольфрамовых псевдосплавов. Физика тв. тела. Вестн. Нижегор. ун-та. 2010. No. 2 (1). C. 47—59.

Chuvil’deev V.N., Nokhrin A.V., Baranov G.V., Moskvicheva A.V., Lopatin Yu.G., Kotkov D.N., Blagoveshchenskii Yu.V., Kozlova N.A., Shotin S.V., Konychev D.A., Piskunov A.V. Investigation of the structure and mechanical properties of nano- and ultrafine mechanically activated tungsten pseudo-alloys. Fizika tverdogo tela. Vestnik Nizhny Novgorod University. 2010. No. 2 (1). P. 47—59 (In Russ.).

Yang X., Zou J., Xiao P., Wang X. Effects of Zr addition on properties and vacuum arc characteristics of Cu—W alloy. Vacuum. 2014. Vol. 106. P. 16—20. http://doi.org/10.1016/j.vacuum.2014.03.009.

Вадченко С.Г., Суворова Е.В., Мухина Н.И., Ковалев И.Д. Осаждение меди из раствора ее сульфата на порошок титана с одновременной механической активацией смеси. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020. No. 1. C. 4—10. DOI: dx.doi.org/10.17073/1997-308X-2020-4-10.

Vadchenko S.G., Suvorova E.V., Mukhina N.I., Kovalev I.D. Copper deposition from its sulfate solution onto titanium powder with simultaneous mechanical activation of mixture. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional’nye Pokrytiya (Universities’ Proceedings. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings). 2020. No. 1. P. 4—10 (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1997308X-2020-4-10.

Вадченко С.Г., Суворова Е.В., Мухина Н.И., Ковалев И.Д., Илларионова Е.В. Получение псевдосплавов CuCr осаждением меди из раствора на порошки хрома при одновременной механической активации смеси. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020. No. 4. C. 14—21. https:// dx.doi.org/10.17073/1997-308X-2020-4-14-21.

Vadchenko S.G., Suvorova E.V., Mukhina N.I., Kovalev I.D., Illarionova E.V. Preparation of CuCr pseudo-alloys by deposition of copper from a solution onto chromium powders with simultaneous mechanical activation of the mixture. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional’nye Pokrytiya (Universities’ Proceedings. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings). 2020. No. 4. P. 14—21 (In Russ.). https://dx.doi.org/10.17073/1997308X-2020-4-14-21.

Жеребцов Д.А., Арчугов С.А., Михайлов Г.Г. Калибровка термопар по точке плавления меди. Изв. Челяб. науч. центра УрО РАН. 1999. No. 2. С. 91—100.

Zherebtsov D.A., Archugov S.A., Mikhailov G.G. Calibration of thermocouples at the melting point of copper. Izvestiya Chelyabinskogo nauchnogo tsentra UrO RAN. 1999. No. 2. P. 91—100 (In Russ.).

Вайнгард У. Введение в физику кристаллизации металлов. М.: Мир, 1967.

Winegard W.C. An introduction to the solidification of metals. London, 1964.

Gomes U.U., Da Costa F.A., Da Silva A.G.P. On sintering of W—Cu composite alloys. In: Powder Metallurgical High Performance Materials: Proc. 15th Int. Plansee Seminar (Reutte, Austria, May 2001). Vol. 1. Reutte, Austria: High Performance P/M Metals, 2001. P. 177—189.

Ignat’eva T., Borovinskaya I. Chemical dispersion as a method for segregation of ultrafine and nanosized powders of SHS refractory compounds. Eur. Chem.-Technol. J. 2013. Vol. 15. P. 111—116. DOI: 10.18321/ectj148.

Прасицкий Г.В., Инюхин М.В. Параметры и техника получения теплоотводящих материалов для полупроводниковых приборов. Наукоемкие технологии. 2014. Т. 15. No. 2. С. 10—19.

Prasitskii G.V., Inyukhin M.V. Parameters and techniques for the production of heat sink materials for semiconductor devices. Naukoemkie tekhnologii. 2014. Vol. 15. No. 2. P. 10—19 (In Russ.).

Hafed I., Azizan A., Azmi R. Enhanced liquid-phase sintering of W—Cu composites by liquid infiltration. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2014. Vol. 43. P. 222—226. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2013.12.004.

Локтюшин В.А., Адаменко Н.А., Гуревич Л.М. Контактные взаимодействия в композиционных материалах: Учеб. пос. Волгоград: ВолгГТУ, 2003.

Loktyushin V.A., Adamenko N.A., Gurevich L.M. Contact interactions in composite materials. Volgograd: Volgograd State Technical University, 2003 (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.