鎢銅復(fù)合材料的制備工藝旨在解決組元不互溶和熔點差異大的難題，主流方法包括熔滲法、粉末冶金燒結(jié)法與熱壓燒結(jié)法，分別適合不同鎢含量與致密化需求。熔滲法通過先制備多孔鎢骨架再熔滲銅來生產(chǎn)高鎢材料，粉末冶金法將混合粉末直接進(jìn)行液相燒結(jié)，熱壓法則在加熱同時施加壓力，一步獲得高致密坯體。此外，梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計、納米復(fù)合技術(shù)及增材制造等先進(jìn)工藝正推動鎢銅復(fù)合材料向更高性能和復(fù)雜結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)展。
一、鎢銅復(fù)合材料的熔滲制備工藝
鎢銅復(fù)合材料的熔滲制備工藝，是目前工業(yè)化生產(chǎn)高鎢含量鎢銅復(fù)合材料最成熟、最常用的方法。該工藝主要分為四個階段：制備多孔鎢骨架、預(yù)燒結(jié)、熔滲以及后續(xù)加工。
首先制備連通孔隙的鎢骨架。將高純度、特定粒度的鎢粉通過模壓或冷等靜壓成型，得到具有一定形狀和孔隙度的坯體，粉末粒度分布和壓制壓力的控制對孔隙結(jié)構(gòu)起決定性作用。為提高骨架強(qiáng)度并改善熔滲效果，有時會在鎢粉中加入少量鉬粉或碳化鈦粉，以實現(xiàn)固溶強(qiáng)化或第二相強(qiáng)化，也可以通過電沉積在鎢粉表面預(yù)先包覆極薄銅層，以改善鎢與銅液的潤濕性。
接下來對壓制成形的鎢骨架進(jìn)行預(yù)燒結(jié)。通常在氫氣或真空保護(hù)氣氛中，于1200~1400℃加熱。這一溫度高于銅熔點，但遠(yuǎn)低于鎢熔點。在此過程中，鎢粉顆粒通過擴(kuò)散形成初步冶金結(jié)合，從而增強(qiáng)骨架強(qiáng)度、穩(wěn)定孔隙結(jié)構(gòu)，避免后續(xù)熔滲時被液態(tài)銅沖散。
熔滲是該制備工藝的核心步驟。將預(yù)燒結(jié)后的鎢骨架與精確稱量的銅坯一同置于石墨模具中，在氫氣或真空環(huán)境下加熱至1100~1300℃以上，使銅完全熔化，熔融銅在毛細(xì)管力驅(qū)動下自發(fā)滲入鎢骨架的連通孔隙。為保證孔隙充分填充，銅的實際用量一般略高于理論孔隙體積。
最后進(jìn)行后續(xù)處理。冷卻后得到接近理論密度的鎢銅復(fù)合材料坯料，再通過車削、銑削、磨削等機(jī)械加工，達(dá)到產(chǎn)品要求的最終尺寸和表面精度。
鎢銅復(fù)合材料熔滲制備工藝
二、鎢銅復(fù)合材料的粉末冶金燒結(jié)制備工藝
鎢銅復(fù)合材料的粉末冶金燒結(jié)工藝主要用于制備鎢含量在50%~80%之間的材料。這種制備工藝的核心在于將鎢粉與銅粉混合后，直接通過一次燒結(jié)完成成型，致密化過程主要依賴燒結(jié)時銅熔化形成的液相來實現(xiàn)。整個工藝包括四個主要步驟。
第一步是粉末準(zhǔn)備與混合。將高純度鎢粉和銅粉按照設(shè)計好的比例進(jìn)行機(jī)械混合，通常會采用球磨工藝使粉末分布更均勻。由于鎢和銅互溶性很差，容易出現(xiàn)成分偏析，因此開發(fā)了一些化學(xué)方法來制備復(fù)合粉末，其中一種方法是均相沉淀法，該方法通過蒸氨過程獲得納米級的前驅(qū)體，再經(jīng)過煅燒和還原處理，最終得到成分均勻且燒結(jié)活性高的復(fù)合粉末，另一種方法是溶膠-噴霧干燥-共還原法，它能制備出超細(xì)甚至納米級的鎢銅復(fù)合粉末，這類通過化學(xué)方法制備的超細(xì)或納米級復(fù)合粉末，因其極高的燒結(jié)活性，在1350~1400℃的溫度下燒結(jié)就能達(dá)到接近完全致密的狀態(tài)。
第二步是壓制成型。將混合好的粉末通過模壓或者冷等靜壓的方式，壓制成具有一定形狀和強(qiáng)度的坯體。
第三步是液相燒結(jié)。將成型坯體在氫氣或真空保護(hù)氣氛下加熱至1300~1400℃。此溫度超過銅熔點，銅粉熔化形成液相，液態(tài)銅在毛細(xì)管力作用下填充孔隙，并帶動鎢顆粒重新排列，從而實現(xiàn)材料的致密化。鎢在液態(tài)銅中溶解度極低，但通過微量溶解再析出機(jī)制，仍能促進(jìn)物質(zhì)遷移和燒結(jié)頸的生長。如果使用納米級復(fù)合粉末，燒結(jié)溫度可以降低至1150~1250℃，同時實現(xiàn)98%以上的相對密度。
最后是后處理環(huán)節(jié)。燒結(jié)后的坯體有時需進(jìn)行熱等靜壓處理，以進(jìn)一步去除內(nèi)部殘留的微小孔隙。根據(jù)產(chǎn)品尺寸和精度要求，再進(jìn)行必要的機(jī)械加工。
鎢銅復(fù)合材料粉末冶金燒結(jié)制備工藝
三、鎢銅復(fù)合材料的熱壓燒結(jié)制備工藝
鎢銅復(fù)合材料的熱壓燒結(jié)工藝是將粉末壓制和燒結(jié)合并為一步完成的加工方法。這種制備工藝主要用于制備對致密度要求較高的鎢銅復(fù)合材料，其核心流程包含以下三個主要步驟。
首先是裝料環(huán)節(jié)。將混合均勻的鎢粉和銅粉裝入耐高溫模具中，模具通常采用石墨材質(zhì)。
接下來進(jìn)行熱壓燒結(jié)。在真空或保護(hù)氣氛條件下，將裝有鎢粉和銅粉的模具加熱到900~1100℃，同時施加幾十兆帕的壓力，在高溫和壓力的共同作用下，粉末顆粒通過塑性流動和相互擴(kuò)散，在較短時間內(nèi)實現(xiàn)致密化。
最后是冷卻與脫模。材料在保持壓力的狀態(tài)下冷卻至適宜溫度后，從模具中取出，即可得到致密的鎢銅復(fù)合材料坯料。
四、新材料設(shè)計與先進(jìn)工藝發(fā)展
隨著技術(shù)進(jìn)步，鎢銅復(fù)合材料的制備工藝也在不斷創(chuàng)新，主要通過以下幾種創(chuàng)新途徑來實現(xiàn)性能提升與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
1.梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過調(diào)整粉末配比或者改變工藝參數(shù)，制備出成分和性能沿厚度方向逐漸過渡的鎢銅復(fù)合材料，這種方式可以讓材料不同部位具有不同的熱膨脹系數(shù)和力學(xué)性能，更好地適應(yīng)使用過程中溫度梯度引起的熱應(yīng)力，從而提高材料的可靠性和壽命。
2.納米復(fù)合技術(shù)
納米粉末由于顆粒極細(xì)，活性很高，所以，在燒結(jié)時不需要太高的溫度就能讓材料內(nèi)部形成非常細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)。這樣制成的材料通常強(qiáng)度更高，韌性也更好，整體性能得到明顯改善。
3.增材制造
增材制造技術(shù)也為鎢銅復(fù)合材料的加工提供了新思路。該技術(shù)通過逐層熔化鎢銅混合粉末，可直接制造出傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。此外，激光熔覆等技術(shù)也可用于制備鎢銅復(fù)合涂層，在激光加工極高的冷卻速率下，材料會發(fā)生非平衡凝固，形成獨特的微觀組織，然而，如何解決由組元熔點差異大、互溶性差所衍生出的工藝控制難題，仍是當(dāng)前技術(shù)突破的關(guān)鍵。
