钼粉粒度均匀性对钼渗铜材料组织的影响

张丹华,张保红,林冰涛,唐亮亮,郭颖利,杜丽业

(1.安泰科技股份有限公司,北京 100081)(2.安泰天龙(北京)钨钼科技有限公司,北京 100094)

0 引 言

钼由于具有高的熔点及一些特有的性能,历来被作为高新材料加以发展,在国民经济中占有重要地位[1]。

近年来,科学技术的发展对材料提出了更加苛刻的要求。难熔金属及其复合材料越来越显示出它独特的优越性,尤其是在航空航天、电子信息、能源、冶金、核工业等领域有着不可替代的作用。如钼渗铜材料广泛被用作电子封装和热沉积材料,同时还作为耐高温抗烧蚀材料,广泛应用于航空航天领域。钼铜复合材料制备方法有多种,主要有高温液相烧结法、熔渗法、活化液相烧结法、机械合金化等[2-11]。微观组织均匀性和连续性是影响钼渗铜材料使用性能的重要因素。通过超声波探伤检测材料内部缺陷是检测产品质量的重要手段[12]。

本文采用熔渗法制备了钼渗铜材料,通过金相观察微观组织、超声波探伤仪检测材料内部缺陷,分析钼渗铜材料的主要原材料钼粉的粒度均匀性对钼渗铜材料组织均匀性的影响。

1 试验方法

1.1 制备工艺

采用熔渗法制备钼渗铜材料,牌号Mo-10Cu。

制备工艺流程:钼粉处理→冷等静压→高温烧结→熔渗→机械加工→试样。

1.2 分析测试

1.2.1 粒度分布

采用激光粒度分析仪对钼粉进行粒度分布测试,分析粉末粒度分布均匀性。

1.2.2 金相和SEM

采用SEM对钼粉的颗粒均匀性进行观察,采用金相对钼渗铜材料进行组织均匀性分析。

1.2.3 无损检测

采用超声波探伤仪对钼渗铜材料的内部缺陷进行检测。

2 试验结果与分析

2.1 钼粉粒度测试结果

对4个批次钼粉粒度进行了分析,结果见表1。

为了分析钼粉粒度分布对钼渗铜材料组织均匀性的影响,对4个批次钼粉的粒度分布进行了详细分析。不同批次原料的粒度累积百分含量如图1(a)所示,不同批次原料的粒度分段百分含量如图1(b)所示。

图1 不同批次原料粒度分布情况

由图1(a)可以看出:原料批次按照粒度累积百分含量由大到小依次为P1、P2、P3、P4,即整体的粒度从小到大依次为P1、P2、P3、P4。

由图1(b)可以看出:P3和P4批次在20～39.8 μm的范围粒度分段百分含量最高,10～20 μm及更小的粒度段百分含量最低。相比P1和P2批次,P3和P4批次粗颗粒的粒度段百分含量更高,对比P3与P4两个批次可以看出,P3批次的粒度分布范围明显窄,且在低粒度段和高粒度段的百分含量均低于P4批次,即P3批次的粒度均匀性更好。

2.2 钼粉SEM分析结果

对4个批次的钼粉进行了SEM分析,结果如图2所示。

图2 不同批次粉末形貌

从图2可以看出:P1和P2批次粉末有大量的细颗粒钼粉(2 μm及以下),且局部存在细颗粒钼粉的团聚现象;P4批次有少量的细颗粒钼粉,团聚现象不明显;P3批次钼粉粒度均匀性很好,且无粉末团聚现象。

2.3 钼渗铜材料无损检测

采用超声波探伤方法对不同批次原料制备的钼渗铜材料进行内部缺陷的检测。不同批次的钼渗铜材料的超声波探伤图像如图3所示。

图3 不同批次钼粉制备的钼渗铜材料超声波探伤图像

试样为板材,尺寸为:100 mm×70 mm。图3的横向为70 mm方向,纵向为100 mm方向。

由图3可见:4个批次原料的钼渗铜材料中,P1和P2批次原料制备的钼渗铜材料都出现了较大面积的渗透不均匀性;P3批次原料的钼渗铜材料未发现渗透不均匀的现象,P4原料批次的钼渗铜材料出现少量的渗透不均匀。说明P1和P2原料批次钼渗铜材料的渗透性较差,即渗铜均匀性不佳。

根据P1批次钼粉原料钼渗铜材料的超声波探伤情况,结合前面提到的该批原料的粒度分布及微观形貌检测情况,认为该批原料制备的钼渗铜材料的渗铜性能不佳的问题,是由于该原料粉末中存在相对较多的细颗粒粉末,且存在粉末团聚板结现象。由于细颗粒团聚板结块在烧结中极易孔隙过细或形成闭孔,造成渗铜路径的不连通,从而导致渗铜难度增加,难以渗透并难以保证均匀性。

2.4 钼渗铜材料微观组织分析

对超声波探伤有缺陷和无缺陷的位置取样,进行SEM和金相观察,结果如图4所示。

图4 无缺陷位置和有缺陷位置微观组织

由图4(a)、(c)可以看出:不同批次钼粉制备的钼渗铜材料,无缺陷位置的试样微观组织连续,为红色铜连续填充在钼骨架孔隙中,组织均匀,无明显孔洞、裂纹和大面积渗铜不均等缺陷。由图4(b)、(d)可以看出:有缺陷位置的试样断口局部区域有多处存在孔洞,有的位置孔洞较大,有的位置则为面积型的密集细小的不连续孔洞,最大面积约60 μm×100 μm。从断口形式看,有缺陷和无缺陷试样两者的断口均以穿晶断裂和沿晶断裂两种方式并存。

2.5 讨 论

不同批次钼粉制备的钼渗铜材料的组织是不同的。在粉末粒度均匀性好的情况下,制备的钼渗铜材料的微观组织均匀性好,无明显缺陷;而粒度不均匀,尤其细颗粒粉末含量较高或有团聚的情况下,制备的钼渗铜材料的微观组织局部存在钼颗粒聚集区域和细小的不连续孔洞,未发现大的连续性孔洞、裂纹和渗铜不均等结构缺陷。所谓的“小面积渗铜不均”实际是“密集微孔聚集”,表现为面积型渗铜不均,这是由钼渗铜材料的组织结构和工艺特点所决定的。

从微观上讲,钼渗铜材料是由钼和铜两相所形成的假合金,其组织存在差异,这种差异体现在以下2个方面。(1)钼骨架:由于钼粉粒度呈正态分布,粉末颗粒大小不均匀,造成烧结后的钼骨架密度微观上的差异。会存在局部高骨架密度或者局部低骨架密度的现象;(2)铜含量:钼粉粒度的不均匀,决定了钼骨架孔隙分布和大小的差异,从而造成孔隙中渗入的铜相含量的不同,存在高含铜量或者低含铜量的区域。

密集型微孔的出现主要有3方面的原因:(1)粉末中吸附的气体被封闭在材料中,烧结过程中无法逸出,形成闭孔;(2)局部开孔中没有渗入铜;(3)局部开孔中虽然渗入了铜,由于铜和钼热膨胀系数的差异,导致冷却过程中产生疏松或缩孔。微孔是粉末冶金材料的组织特点,生产中无法完全避免。但是可以通过调控粉末的粒度均匀性,尽量减少微孔出现。

2.6 改进建议

提高钼渗铜材料均匀性的一个重要因素是从原料入手,可采用粉末球磨、粒度分级等手段提高原料的粒度均匀性,将大量的细颗粒或团聚粉末去除,就有可能可以达到比较好的渗铜性能。

3 结 论

(1)粉末粒度均匀性对渗铜性能有影响,粉末存在细颗粒较多或者团聚现象会导致钼渗铜骨架局部细小孔隙聚集,且这些聚集的小孔隙难以渗入铜,造成超声波探伤渗铜均匀性不佳。

(2)研究结果表明:超声波探伤发现的“面积型渗铜不均”实际是“密集微孔聚集”。