高软化温度Cu-WC复合材料的制备及性能研究

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5G热管、集成电路等高新技术的迅速发展对高性能铜基材料的散热性、高服役温度下的力学性以及导电性等综合性能提出了更高的标准。本文首先采用机械合金化工艺使得少量超细WC颗粒弥散分布于铜粉颗粒中,制备了均匀细化的WC/Cu复合粉;然后一部分复合粉经冷压成型后置于两种气氛下烧结(氢气、真空),另一部分复合粉直接进行真空热压烧结;通过对不同烧结温度下的试样进行XRD、SEM和TEM组织形貌观察分析,试样致密度、强度、硬度、电导率、抗软化温度等性能表征,最终确定最佳烧结工艺并分析了奥罗万机制下的位错塞积效应强化铜基复合材料的强化机理。得到的主要结论如下:(1)通过机械球磨、冷压成型工艺结合氢气、真空两种气氛下烧结的方式,制备了1 wt.%WC/Cu、2 wt.%WC/Cu基烧结块体。研究了压坯对烧结试样致密度的影响,确定该复合材料的最佳压制压强是200 MPa;在最佳压制压强的基础上调节温度参数,研究了不同烧结温度下WC/Cu基复合材料的致密度、电导率及维氏硬度的性能变化。最终确定该复合材料的最佳氢气烧结温度为1112℃,最佳真空烧结温度是1087℃。(2)通过机械合金化结合真空热压烧结方式,最终1050℃热压烧结下制备了超细WC颗粒均匀弥散Cu基复合块体,其相对密度甚至达到全致密,且随着热压烧结温度的升高,电导率、导热系数的变化值与相对密度的变化值呈一定的同步性。(3)在1050℃热压烧结并结合热轧复合工艺成功制备的1 wt.%WC/Cu、2 wt.%WC/Cu试样,不仅具有优异的拉伸强度(406.72 MPa、405.12 MPa)和高硬度(126.6 HV、124.1 HV),而且均具有高导电率(99.1%IACS)和高软化温度(850℃、900℃)。此外,超细WC/Cu基复合材料的强化机制主要是由奥罗万机制中的位错塞积效应来增强复合材料,热轧后复合材料的拉伸性能更多的是由增强体/基体的界面强度决定,且高软化温度的大幅提高源于WC粒子对位错回复和再结晶的抑制机制。
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