细晶W-Cu合金的高温拉伸力学行为与组织演变

刘辉明，范景莲，刘 涛，田家敏

（中南大学 粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙 410083）

钨铜合金兼有钨的耐高温、高强度、高密度等特性，铜的高导电导热性、好的塑性等综合性能，在民用器件上已被广泛应用于电接触头、电极、大规模集成电路和大功率微波器件中的基片、连接件和散热元件等，在军事上则被用来制备各种导弹的喉衬、燃气舵、鼻锥等耐高温部件［1-4］。由于W、Cu在一般情况下的互不相溶性，传统粉末冶金高温液相烧结和熔渗法制备的W-Cu合金存在着致密度较低、钨晶粒长大、合金组织不均匀等缺陷［5～7］。采用喷雾干燥-氢气热还原的方法制备W-Cu超细复合粉末和相应工艺所制备的W-Cu合金，具有一系列传统WCu复合材料很难比拟的性能，如增大钨、铜的固溶度，大大提高烧结活性，降低烧结温度和提高合金致密度，从而可制备出组织和性能优异的细晶W-Cu合金［8-9］，使钨铜材料得到更为广泛的应用。

钨铜合金在用作导电导热材料时，其所处工作环境通常为高温状态，在高温条件下材料的力学行为与常温条件下具有很大的不同。目前国内研究工作者对细晶W-Cu合金的研究主要集中于粉末及合金材料的制备工艺［10-12］，而对其力学性能，尤其是在高温条件下的力学行为的研究较少［13-14］。为此，作者在前期工作基础上，将研究细晶W-40Cu和W-50Cu合金在不同温度下的拉伸断裂行为，分析材料在高温状态的断裂形式及组织变化规律。

1 实验

1.1 试样制备

首先按所需的钨、铜质量分数（W-40Cu和W-50Cu）称取相应的偏钨酸铵和硝酸铜，用去离子水配制溶液，加入一定的表面活性剂，控制溶液沉淀得到透明溶胶体，将溶胶体喷雾干燥得到含有钨、铜的复合前驱体粉末，将粉末前驱体经煅烧得到钨铜氧化物，然后将钨、铜氧化物复合粉末在氢气气氛中还原后模压成形，最后将压坯置于氢气气氛中在1 150～1 250℃条件下烧结1.5h。

1.2 性能测试方法

试样在Instron3369电子拉伸试验机上进行高温准静态拉伸测试，采用氩气做保护气氛，升温速率为10℃/min，测试温度为200～800℃，保温时间为20min，拉伸速率为1mm/min。采用日本JEOL公司的JSM-5600LV型扫描电镜对试样断口进行扫描，观察断口形貌和显微组织变化。

2 结果与讨论

2.1 细晶W-Cu合金显微组织

图1所示为细晶W-40Cu和W-50Cu合金的显微组织照片，从图中可以看出烧结后的合金晶粒细小，W晶粒较为均匀地分布在Cu相周围，其中W-40Cu的平均W晶粒尺寸≤0.4μm，W-50Cu的平均W晶粒尺寸≤0.5μm。这是由于采用喷雾干燥-氢气还原工艺所制备的W-Cu超细复合粉末颗粒细小，并且具有良好的烧结活性，可在低于传统烧结温度下对其压坯制品进行烧结，从而降低了烧结过程中W-Cu合金的晶粒长大。

图1 细晶W-40Cu和W-50Cu合金显微组织照片

2.2 温度对W-Cu合金力学性能的影响

图2所示为W-40Cu合金与W-50Cu合金抗拉强度随拉伸温度的变化曲线。从图中可以看出，W-40Cu合金与W-50Cu合金两者的强度随温度的变化趋势大体相同，随温度升高，合金抗拉强度均呈下降趋势，相比之下，W-40Cu合金比W-50Cu合金具有较高的拉伸强度。在800℃时，合金的抗拉强度大大降低，只有室温时的14％～17％，说明钨铜合金软化程度加快，钨铜合金的拉伸强度随温度升高急剧下降。钨铜合金由W和Cu两相组成，当温度升高时，W相与Cu相界面结合强度大大降低，从而导致合金整体抗拉性能急剧下降。同时，温度升高使得Cu相发生再结晶软化，削弱了材料在拉伸变形时的加工硬化效果，使得合金的抗拉性能降低。

图2 细晶W-40Cu合金与细晶W-50Cu合金高温拉伸强度随测试温度的变化关系曲线

图3所示为W-40Cu合金与W-50Cu合金延伸率随拉伸温度的变化曲线。从室温至400℃时，温度对钨铜合金的延伸率影响不明显，随着温度的升高延伸率略微地呈下降趋势；当温度大于400℃时，合金延伸率迅速上升；在800℃时，W-40Cu合金与W-50Cu合金的高温拉伸延伸率分别达到17.26％和23.11％。由此可知，在200～400℃时，温度的升高对合金组织结构没有很大影响，合金的塑脆性没有发生太大改变；当温度升高到600℃以上时，Cu相发生了显著的软化，使得合金塑性得到明显的提高。

图3 细晶W-40Cu合金与细晶W-50Cu合金高温拉伸延伸率随测试温度的变化关系曲线

2.3 高温拉伸断口显微组织特征

W-Cu材料是由强度较高但延性较差的W相和强度相对较低但延性较高的粘结相Cu构成，由于两者具有强烈的性能反差，因此W-Cu合金在拉伸作用下的断裂方式也呈现较为特殊的规律。通过对细晶W-40Cu合金与W-50Cu合金的断口显微组织进行分析，可以揭示细晶W-Cu合金高温拉伸性能随温度变化的本质。

图4所示为不同温度下细晶W-Cu合金高温拉伸断口形貌。从图4（a）、（b）可以看出，室温下细晶W-Cu合金的断口处Cu相较为均匀地分布在W晶粒周围，W晶粒在断裂时被拉拔出留下许多凹坑，而Cu相的撕裂则产生了大量的撕裂棱。这是由于在拉伸作用下，铜相发生塑性变形，但塑性变形能力较差的钨晶粒很难随之发生协调变形，在拉伸应力的作用下W晶粒最终与W晶粒或者Cu相分离，而Cu相则发生了撕裂。因此在室温条件下W-40Cu和W-50Cu合金的断裂方式主要为W晶粒与W晶粒的界面分离、W晶粒与粘接相的界面分离以及粘接相Cu相的自身撕裂。从图4（c）、（d）可以看出，当温度为400℃时，合金的断口发生较大的变化，钨晶面逐渐变得模糊，铜相的撕裂现象明显降低，断口处的坑窝状形貌消失。这是因为随着温度逐渐升高，铜在此温度下呈现出“中温脆性”［15］，Cu相的延性降低，但由于材料同时还受到高温软化作用的影响，合金的延伸率总体变化不大。当温度为800℃时，W晶粒基本被Cu所包覆，合金的断口主要表现为Cu相的自身撕裂。这是由于在高温条件下Cu相发生明显的软化，应力避开高强度的W晶粒而很容易在Cu相中扩展，从而造成Cu相的撕裂。因此W-Cu合金在高温条件下表现出比较良好的塑性，但是其拉伸强度也大大地降低。

3 结论

（1）随拉伸温度升高，细晶W-Cu合金拉伸强度呈下降趋势，延伸率在室温～400℃时变化不明显，略微地呈下降趋势，在400℃以上时延伸率开始急剧上升。

（2）两种不同成分W-Cu合金对比，在相同温度条件下W-40Cu合金表现出较高的高温拉伸强度，而W-50Cu合金表现出较高的延伸率。

（3）在室温条件下，细晶W-Cu合金的断裂主要包括W晶粒的沿晶断裂与Cu相的延性撕裂。温度在400℃时，Cu相开始软化，但合金材料受铜的“中温脆性”影响而使得材料的断裂延伸率变化不大。当温度达到800℃时，由于高温软化作用，材料的断裂方式主要受Cu相的影响而表现出很好的延性断裂。

［1］Johnson J L，German R M.Advance in powdermetallurgy and particulatematerials［J］.The International Journal of Powder Metallurgy，1993，4（1）：201-209.

［2］Wang W F.Efect of tungsten particle size and copper content on working behavior of W-Cu alloy electrodes during elect rodischargemachining［J］.Powder Metallurgy，1997，40（4）：295-300.

［3］Raghu T，Sundaresan R，Ramakrishnan P，et a1.Synthesis of Nanocrystalline Copper-tungsten Alloys［J］.Mechanical Alloying Materials Science and Engineering A，2001，（304/306）：438-441.

［4］高 娃，张存信.钨铜合金的最新研究进展及应用［J］.新材料产业，2006，（2）：57-60.

［5］陈 伟，周武平，邝用庚，等.钨渗铜材料室温力学性能与组织研究［J］.中国钨业，2005，21（1）：36-38.

［6］陶麻启，王祖平，方宁象，等.钨铜复合材料的制造工艺［J］.粉末冶金技术，2002，20（1）：49-51.

［7］陈 伟，周武平，邝用庚，等.钨渗铜材料室温力学性能与组织研究［J］.中国钨业，2005，21（1）：36-38.

［8］杨梨容，魏成富，栾道成，等.纳米钨铜复合材料制备技术的研究进展［J］.材料热处理技术，2008，37（10）：89-92.

［9］朱 松，范景莲，刘 涛，等.细晶W-Cu材料的导电性能［J］.中国有色金属学报，2010，20（7）：1360-1364.

［10］范景莲，刘 涛，成会朝，等.W-20％Cu超细复合粉末的制备和烧结［J］.纳米加工工艺，2007，4（5）：36-38.

［11］范景莲，刘 涛，田家敏，等.喷雾干燥-氢还原制备W-50Cu纳米复合粉末过程中的相转变［J］.稀有金属材料与工程，2008，37（11）：1919-1923.

［12］胡 双.球磨时间对W-30Cu复合粉末中W晶粒度及烧结致密化行为的影响［J］.金属材料与冶金工程，2008，36（4）：6-10.

［13］陈 伟，周武平，邝用庚，等.钨渗铜材料高温力学性能与组织研究［J］.宇航材料工艺，2005，1：56-59.

［14］陈 伟，周武平，邝用庚，等.粉末粒度对于高温钨渗铜材料骨架性能的影响［J］.粉末冶金工业，2004，14（2）：17-20.

［15］赵艳平，张立武，杜晓斌.熔渗法制备的W-Cu高温流动特性及其对塑性变形的影响［J］.材料热处理技术，2008，38（8）：39-47.