Формирование структуры псевдосплавов Cu–W при различных методах их получения

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.

псевдосплавы, осаждение меди из раствора, механическая активация, спекание, фазоразделение

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

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

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

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

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.

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

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

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