激光立体成形W-Cu复合材料的组织及性能研究

发布时间：2020-06-17 03:34

【摘要】：W-Cu复合材料是一种典型的“假合金”,兼具W、Cu两者的性能优点,具有良好的导电导热性、较低的热膨胀系数、良好的耐摩擦性能和耐电弧腐蚀性,同时还具有高温下的“自冷却效应”,被广泛应用于电子、微电子、航空航天、军工及医疗等领域。然而由于W、Cu在晶格类型、熔点、密度方面的巨大差异,使得其相互之间润湿性较差、无法形成固溶体或金属间化合物,只能通过粉末冶金方法制备。粉末冶金法可实现零件最终尺寸的压坯,但模具制造成本高、周期长,且无法加工复杂及薄壁零件。发展先进的近净成形工艺是解决W-Cu复合材料成形难题的主要措施。本文采用两种不同功率的激光成形系统进行W-Cu复合材料的单道熔覆成形,研究成分配比及工艺参数对熔覆层组织形貌、致密度及力学性能的影响;在优化的工艺参数范围内进行W-40wt.%Cu薄壁件的激光立体成形,研究了工艺参数对成形件性能的影响,并探索了添加少量活化元素Fe和Co的影响。得出的主要结论如下:(1)低功率条件下(P≤200W),熔覆层的组织形貌主要受成分配比的影响。当Cu含量由30wt.%增加至40wt.%时,熔覆层由W作为骨架金属的均匀结构转变为不均匀的“钨包铜”结构。优化的成分配比为Cu含量30wt.%～40wt.%。(2)高功率条件下(200WP≤1000W),在45#钢基底上进行W-40wt.%Cu单道熔覆的散逸能量密度b≈1.8×10-3kJ/mm2,工艺参数对单道熔覆层组织形貌的影响可归结于“有效质量能量密度”k的影响。当k10.2kJ/g时熔覆层无法形成稀释区;当k10.2kJ/g时则可以形成稀释区。当k4.49kJ/g时,熔覆层呈特殊的“W包Cu”结构;当4.49kJ/gk9.58kJ/g时,W颗粒沿着熔覆层的边缘分布;当9.58kJ/gk13.19kJ/g时,W颗粒均匀分布;当k13.19kJ/g时,W颗粒发生严重团聚。优化的工艺参数应满足9.58kJ/gk13.19kJ/g。(3)激光立体成形W-40wt.%Cu薄壁件的组织性能不仅受工艺参数的影响,还与单道熔覆层的几何特征密切相关,熔覆层宽高比越小,能量损耗越大,不易得到致密均匀的成形件。W-40wt.%Cu薄壁件在拉伸时呈韧性断裂和脆性断裂相结合的断裂方式,抗拉强度主要由Cu相提供。抗拉强度的变化趋势与硬度值的变化趋势一致。综合各项性能,选取P=800W,v=10mm/s,a=0.42g/s,D=3mm作为最优参数,此时组织较为均匀,相对致密度为80.54%,显微硬度为122.75HV,抗拉强度为122.89MPa。(4)添加Fe和Co可明显提高W-40wt.%Cu成形件的各项性能,在添加5wt.%的Fe和Co时,相对致密度可增加至94%以上。Co元素的添加可使硬度值提高50～60HV;Fe含量为5wt.%时,成形件的显微硬度达到了319HV。添加活化元素后抗拉强度达到了原来的1.5～2倍。在添加1wt.%Fe、5wt.%Fe和5wt.%Co时,断裂面将穿过W颗粒内部,W颗粒作为骨架金属提供了大部分的强度。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

热量向喉衬内部传递［１９］。实际应用中，可在Ｗ基底中加入少量的Ｔｈ０２、ＨｆＣ、ＺｒＣ等进逡逑行弥散强化，以提高Ｗ的强度、抗热震性能和稳定性［２（）］。逡逑图１．２中位于成型装药炸药底端的锥形零件即为药型罩。早期的药型罩材料主要采用逡逑３逡逑

骨架的孔隙率，有利于形成^u孔结构，且不会增加Ｗ骨架的含氧量，溶渗的致密度可达逡逑９９％以上。这是由于烧结过程中ＢＴＯ—Ｗ的转变释放了部分原本被ＢＴＯ颗粒占用的空间，逡逑如图１．４所示。逡逑Ｇｒｅｅｎ邋ｓｐｅｃｉｍｅｎ逦Ｓｉｎｔｅｒｅｄ邋ｓｋｅｌｅｔｏｎ逡逑图１．４邋Ｗ骨架烧结过程中ＢＴＯ的转变［３８］逡逑１．２．２新型成形方法逡逑１．２．２．１邋粉末注射成形法（Ｐｏｗｄｅｒ邋Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ邋Ｍｏｌｄｉｎｇ，邋ＰＩＭ）逡逑粉末注射成形是将塑料注射成形与粉末冶金相结合得到的新型近净成形工艺。该方逡逑法得到的零件具有精度高、组织均匀等优点，并且其加工成本只有传统工艺下的逡逑２０邋％？６０％，适用于精密复杂零件的成形［３９］；但是其工艺复杂，许多加工参数难以精确逡逑测量。幻１１１等［４（）］采用ＰＩＭ工艺将粒度为０．６，的＼￥粉和粒度为３（ｉｍ的Ｃｕ粉经机械球磨混合逡逑后在１１００°Ｃ的条件下烧结ｌｈ，成功制备出了微型Ｗ－Ｃｕ零件。０＾１＾等［４１］以石蜡、聚乙烯、逡逑乙烯乙酸聚乙酯和硬脂酸为粘结剂，在温度为１８０°Ｃ、压力为１邋ｌＯｂａｒ、注射速度为３０％的逡逑条件下通过ＰＩＭ法成功制备出了Ｗ－２０ｗｔ．％Ｃｕ合金球（图１．５（ａ）），在１１５０°Ｃ下烧结２ｈ可使致逡逑密度达到９５．５８％。＼￥３叩等［４２］结合热化学沉积和ＰＩＭ

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本文编号：2717012