钨铜合金的典型配方（W70/30、W80/20、W90/10）的详细热/时间曲线与装炉方案
- 钨铜合金的常用工艺配方通用前提
钨粉：纯度 ≥ 99.9%，建议粒径分级：5–10 µm（较细粒可改善烧结致密性）。
铜：熔点 1083°C；用高纯 Cu（99.9%）或 Cu-Ni（见配方备注）。
目标最终相对密度：≥ 98%（理想 ≥ 99%）；残余孔隙率 ≤ 1–2%。
骨架目标初始致密度（预烧结后）：70–82%理论密度（以便既有强度又有连通孔隙）。
浸渗炉：推荐使用可调真空炉或可通入 H2/Ar 的保护炉；需有升压能力用于压力辅助工艺。
装具材料：若高温接触铜，推荐使用石墨坩埚（表面涂隔离层）或高纯氧化铝/碳化硅衬里。对高温 >1300°C，注意坩埚碳化与化学相容性。
安全：H2 使用需有爆炸防护、泄漏检测；真空炉、快速升温须防止热冲击。
- 工艺配方A— W70Cu30（工业可量产、易浸渗，基线工艺）
W70Cu30 为“易渗”配比，常规真空+1150°C 即可满足大多数件。
W70Cu30钨铜合金的应用
功率散热件、中等耐弧电极、非最严苛场合电接触
原料与预处理
钨粉筛分、干燥（120°C、2 h 真空烘箱），脱脂（丙酮超声或碱洗）→真空烘干。
若粉体团聚，做 1–2 h 低能球磨（惰性气体、石油基去除）。
成形/压制
单向压制或等静压（CIP）：目标绿体密度 ≈ 55–62% 理论（对应孔隙 38–45%）。
压力：单向压 200–350 MPa；等静压视机型 200–300 MPa。
预烧结（形成骨架） — 温度—时间曲线
升温速率：5–10°C/min至400°C（脱气），保温30–60min（真空10⁻³–10⁻⁵ Pa或10⁻² Torr）。
继续升温10°C/min至1450°C，保温60–90 min（真空或5%H2/Ar，优先真空或H2）。
冷却速率：5°C/min至400°C，再自然冷却。
目标：预烧结致密度70–75%，孔隙连通且平均孔径2–8 µm。
表面处理与脱气
真空脱气300–500°C、1 h（10⁻³ Pa），或H2还原600–700°C、0.5–1 h（降低表面氧化）。
铜熔融浸渗（主过程）—温度—时间曲线与气氛
装炉方式：上置铜块或将铜片环绕坯体（top-feed）；对中等件采用 top-feed 最易操作。
升温：10°C/min 至 600°C（脱吸附），5–10°C/min 至 1050°C（预热），再 5°C/min 至 1120°C。
在 1120–1150°C 保温 10–30 min（真空 10⁻³–10⁻⁵ Pa 或 Ar 气氛）。
若采用 H2：在 800–1000°C 用 5–10%H2/Ar 还原 30–60 min 后切换真空或保持 H2 并升至浸渗温度。
完全浸渗标志：外表开始出现轻微溢铜或称重达理论目标值（计算目标 Cu 含量填充）。
建议保温时长依据体积：小件 10–20 min；中件 20–40 min。
降温/后处理
缓慢冷却：3–5°C/min 至 500°C（减少热应力），再自然冷却至室温。
机械去除表面溢铜 → 机加工、热处理（若需要）→无损检测（X-ray CT/显微检查）。
质量控制项（验收标准）
相对密度 ≥ 98%（阿基米德法）
导热率/电阻率满足目标（依据供货商数据或样件测试）
SEM 检查：无明显黑心或 >50 µm 连续空洞
接触角测验（可选）：sessile drop 测试 θ 在该工艺下应趋于 <90°
- 工艺配方B — W80Cu20钨铜合金（中高W，常见工程与触头件）
W80Cu20钨铜合金的典型应用
高功率触头、X-ray 背衬、对浸渗均匀性和界面要求更高的零件
原料与预处理
钨粉粒径建议 3–8 µm；脱脂、干燥同上。
若目标高洁净度（真空/半导体类），禁用助剂/熔剂。
成形/压制
绿体密度 57–65%（压制 200–350 MPa），等静压优先用于复杂形状。
预烧结（骨架形成）
脱气：5–10°C/min 至 400°C，保温 30–60 min（真空 10⁻³–10⁻⁵ Pa）。
继续 10°C/min 至 1500°C，保温 60–120 min（真空或 5%H2/Ar）。
目标预烧结密度 72–80%，孔径 1–6 µm，连通率 ≥ 80%。
表面改性（建议，针对 80%W）
在骨架表面做化学镀镍或电镀 Ni 厚度 0.5–3 µm（显著改善润湿角并助力浸渗）。
若不允许镀层（高洁净行业），采用更高浸渗温度 + 真空-压力交替循环。
主过程铜熔融浸渗
装炉与铜放置：推荐包覆式或环绕式放铜，以保证各向浸渗均匀。
升温曲线：5–10°C/min 至 600°C → 5°C/min 至 900°C（H2 去氧）→ 5°C/min 至 1300°C（目标浸渗温区）
浸渗温度：1250–1320°C（优选 1280–1300°C）
浸渗气氛：高真空 10⁻⁴–10⁻⁵ Pa 或 5–10% H2/Ar；若采用 Ni 涂层可在较低温度下浸渗（≈1200–1250°C）
辅助压力（推荐）：真空-压力循环或恒压辅助 0.1–0.5 MPa（氮替代气或Ar加压），提升浸渗深度与均匀性
保温时间：中件 20–60 min；大件或复杂通道 45–120 min。
降温与后处理
缓冷 3–5°C/min 至 500°C → 自然冷却。
去除外溢铜 → 机加工 → SEM、CT 检查界面有无氧化物层或未渗透区域。
质量控制项
相对密度 ≥ 98.5%（理想 ≥ 99%）
X-ray CT：内部残余孔隙体积分数 ≤ 1–1.5%
界面 SEM/EDS：Ni 层/界面无连续氧化物薄层，Cu 与 W 接触良好。
电弧耐久试验：按标准循环测试（若用于触头）。
说明：W80Cu20 为中高难度浸渗，Ni 表面处理 + 压力辅助最能提高一次成功率。
- 工艺配方C — W90Cu10钨铜合金（超高 W，浸渗难度最大的钨铜合金）
W90Cu10钨铜合金的常规应用
极低 CTE 匹配、重载耐高温部件、需要高耐弧边界的特种件（但成本/难度高）
原料与预处理
钨粉优选 1–5 µm（尽管细粉有利于致密化，但对孔隙控制更敏感）。
更严格脱脂、真空烘干、表面元素检测（O <30 ppm）。
成形/压制
等静压优先，绿体密度 60–68%（目标：形成细小但连通的孔隙结构）。
预烧结（严格控制晶粒长大）
脱气阶段同上。
预烧结温度：1500–1650°C（有条件可至 1700°C，但注意晶粒长大）
保温：90–180 min，目标预烧结密度 75–82%，孔隙半径控制在 0.5–3 µm。
必要的表面/界面处理
化学镀镍或电镀 Ni 层 1–5 µm（建议采用化学镀以保证均匀包覆）
或采用真空热扩散金属化（薄 Ti 或 Zr 0.1–0.5 µm）以活化表面（须小样验证）
铜熔融浸渗
装炉方式：包覆铜 + 顶部铜补给；同时预备二次浸渗方案。
升温曲线：3–8°C/min 至 600°C → 3–5°C/min 至 900°C（H2 还原）→ 3–5°C/min 至 1350–1450°C。
浸渗温度：建议 1350–1450°C（越高润湿越好，但对设备要求高）
气氛与真空：首选真空 10⁻⁵ Pa 配合 H2 预还原，或使用纯 H2 气氛并严格监控。
压力辅助（几乎必需）：气压或液压 0.2–1.0 MPa（按件体积调节），或采用真空-正压交替循环（例如：抽真空 10⁻⁴ Pa × 5min → 加压 0.2 MPa × 5–10min，多循环）。
浸渗时间：建议 45–180 min，复杂/大体积件更长。
降温/后处理
分级缓冷：建议 3°C/min 至 800°C，5°C/min 至 400°C，再自然冷却。
机加工、二次热处理（800–1000°C、2 h 真空）以促进界面扩散、释放内应力。
质量控制与风险点
相对密度目标 ≥ 99%（小件可达 99.5%）
X-ray CT 无连续 >50 µm 的内空洞
界面 SEM/EDS 无氧化物夹层，Ni 层完整（若有）
电弧试验与热循环试验：符合设计寿命指标
风险：高温导致钨晶粒长大、铜-坩埚相互作用、装备耐温和气氛控制的可靠性是关键
备注：W90Cu10 的工业化成本高，生产成功率受粉体质量、炉温/气氛与压力控制影响最大。若不能保证设备能力，建议改用 SPS 或热等静压 + 弥散铜法替代传统浸渗。
- 三种典型钨铜合金生产工艺的通用建议：装炉、夹具与操作细节
夹具：使用石墨托架或高温抗氧化陶瓷托盘，表面可涂隔离层（BN 或石墨漆）防粘。
铜放置：若top-feed，将铜板/铜棒置于坯体上方并用小辊压紧，避免移动。对包覆法，铜粉/片包围坯体。
真空/气氛切换：建议先抽真空到 10⁻³–10⁻⁵ Pa，再通入 H2 做短时还原（若使用），随后再抽真空或维持 H2/Ar 至高温阶段。
仪表：使用热电偶监测样品附近温度（而非炉膛温度），并记录温度-时间数据以便过程追溯。
升温控制：尽量避免骤停和阶跃升温，预防因局部热梯度产生裂纹。
- 钨铜合金生产工艺的试验设计建议与数据采集
每配方建议做至少3个重复样（小样 → 中样 → 工件）并记录：
质量（浸渗前后称重）→ 计算填充量/相对密度；
温度-时间曲线（炉记录器）、真空度/气氛记录、加压曲线；
CT 扫描（孔隙分布）、SEM/EDS（界面分析）、导热率（laser flash）、电阻率、硬度。
目标通过 DOE（设计实验）调整：浸渗温度、保温时间、表面处理、压力循环次数四因子试验，找最优窗口。
7.钨铜合金生产工艺的常见故障与快速处置表
问题：黑心（内部未渗透） → 原因：孔隙不连通/润湿差 → 处置：提高预烧结温度/延长保温、采用真空-压力循环、镀 Ni。
问题：表面溢铜/流挂 → 原因：孔隙过大/放铜过多 → 处置：增压密封、减少供铜量。
问题：裂纹 → 原因：冷却过快/热梯度 → 处置：降低冷却速率、分段退火；优化夹具减少约束。
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