Copper Alloys From Metal Oxide Precursors for High Conductivity Applications

Extrusion of oxide powders allows fabrication of thin-walled metal articles to produce controlled-geometry, low-density copper alloy architectures. Shapes formed with copper oxide powders mixed with alloying oxides are reduced and sintered to produce high relative densities in the thin walls. This technology has produced square-cell honeycomb extrusions, which are being characterized for heat sink applications. This effort is to determine the bulk properties of alloys produced by this type of thermo-chemical powder processing and to explain behavior based on the final chemistry and microstructure of the alloys. Compositions investigated include Cu, Cu-Ni, Cu-Ag, W-Cu, Cu-Invar, Cu-Al₂O₃, and Cu-Cr alloys. Alloys have been characterized for relative density, thermal conductivity, and grain size. Mechanical properties including tensile and yield strength and elongation were measured on Cu-Ni and Cu-Ag, and the results were analyzed based on porosity and composition of the alloys. Properties were compared to alloys made through conventional processing and powder metallurgy.     

细晶钨铜复合材料制备工艺的研究

将W-20％Cu混合粉末在行星式高能球磨机中机械合金化(MA)。经过一定时问球磨后可以得到W晶块尺寸30nm左右的纳米粉末。测定了粉末晶粒尺寸、粉末的粒度、比表面、松装密度和振实密度等性能。粉末的晶块尺寸用XRD分析得出。研究了MA W-2096Cu粉末烧结后的显微组织。研究表明，球磨后粉末在1200～1300℃下烧结即可达到近全致密，相对密度在99．596以上，拉伸强度达到780MPa以上，伸长率大于3．5％，钨晶粒尺寸在1～2μm左右。     

W-Cu薄膜沉积初期亚稳态固溶体形成机制

采用直流双靶磁控溅射共沉积的方法制备了W含量为75%(原子分数)的W-Cu薄膜,并通过EDS、XRD、SEM、TEM等对W-Cu薄膜沉积初期的微观形貌及组织结构进行了表征和分析。结果表明,沉积初期,随着沉积时间延长,W-Cu薄膜有逐渐晶化的趋势,并形成了W(Cu)基亚稳态固溶体,且Cu在W中的固溶度逐渐增加。沉积10s时薄膜呈长程无序、短程有序的非晶态,局部有由于靶材粒子扩散不充分而形成的小于5nm的W、Cu纳米晶;20s时局部纳米晶消失但晶化程度升高;30s时晶化显著。沉积初期W-Cu薄膜随沉积时间延长逐渐晶化的原因是沉积过程中高能量的原子或原子团与已沉积的原子碰撞,传递能量,促进原子进一步扩散,克服了薄膜的晶化形成能,从而形成了亚稳态的W(Cu)固溶体。     

恒电位极化诱发钨铜合金化学镀镍磷的研究

使用自行研制的镀液配方,研究了在钨铜合金基体上化学镀镍磷的可行性.试验通过恒电位极化诱发法在NiSO4-H2PO2-体系中实现了钨铜合金表面的化学镀镍磷.对极化过程中基材表面的化学镀诱发机理进行了探讨,通过筛选试验确定了外加恒电位的大小和极化时间,并对镀层形貌和质量进行了检测.结果表明,镀层具有较好的结合力和耐蚀性.因此在钨铜合金上进行化学镀镍磷时,恒电位极化法是一种较好的诱发方法.     

钨铜合金薄板坯烧结行为研究

以常规工业级钨粉和铜粉作为原料，制备了厚度均匀、密度较高的钨铜薄板坯，并对该薄板坯的烧结行为进行了系统地研究。结果表明，钨铜两相的润湿性对烧结致密化过程起主导作用，它在各温区所引起的致密化因素各异，使致密度变化程度不同。研究发现，钨铜在高温液相烧结过程中的动力学特征，与非晶体粘性流动烧结理论相吻合。     

高压扭转制备钨铜梯度材料的仿真和实验研究

采用ABAQUS软件对钨铜材料高压扭转变形进行有限元模拟,分析了扭转变形过程中的应力场分布和应变累积状态,以及压力和温度对界面层应变累积的影响。模拟结果表明,铜在HPT变形过程中为剪切变形的主要承受方,钨未得到充分的剪切变形,界面层应变累积最大;较高的温度和压力有利于界面层的应变累积,但温度的提升效果并不显著,并且高压力和高温度易导致铜反挤和模具失效。在300 ℃、1 GPa、扭转5圈的工艺条件下采用高压扭转工艺制备了界面连接质量良好的钨铜梯度材料。实验结果表明,随着扭转半径的增大,钨和铜的组织均得到显著细化,平均晶粒尺寸分别约为32.6 μm和0.28 μm,并且在界面处出现晶粒尺寸约为4.8 μm的铜组织过渡层;界面处钨和铜结合良好,钨和铜元素的扩散距离分别约为1.74 μm和2.59 μm。铜的显微硬度由初始态的79 Hv提升至131 Hv,界面处钨的显微硬度由初始的347 Hv提高到424 Hv,表明大变形条件下的晶粒细化和缺陷累积有利于界面连接和性能提升。     

镀镍钨铜与银铜焊料钎焊工艺的研究

在金属-玻璃管壳封装中,由于玻璃绝缘子对氢气敏感,在焊接管壳的底座时采用氮气而非氢气作为保护性气氛.针对氮气的钎焊条件,研究了不同钎焊温度、时间对镀镍钨铜与银铜焊料浸润性的影响,并观察其界面微观组织结构.结果表明:银铜焊料与镀镍钨铜材料在较宽的温度范围内浸润性良好,最佳钎焊温度为820℃,最佳钎焊时间为5min.钎焊界面的微观组织表明,镀镍钨铜材料与银铜焊料焊接界面平整,结合紧密,没有出现孔洞、裂纹等缺陷.     

化学共沉淀法制备钨铜合金

首先采用化学共沉淀法制备钨铜复合氧化物粉末,再用氢还原得到纳米级钨铜复合粉末,经成形和烧结得到超细弥散分布钨铜合金.研究结果表明,采用化学共沉淀法结合氢还原工艺制备的W-20%Cu纳米复合粉,W颗粒粒度为30～50 nm,形状呈多边形,Cu相均匀分布在W相之间将W颗粒粘结.所制得的钨铜复合粉表现出高的烧结活性,经1250℃烧结其相对密度达到99.7%,热导率达到223.1 W/m·K,导电性、抗弯强度以及硬度等性能也比传统产品有大幅度提高.     

预加铜粉对85W-Cu板材性能的影响

钨铜是一种理想的电子封装基板或热沉材料.采用纯钨粉压坯、2%(质量分数)铜粉和钨粉混合压坯为熔渗对象制备85W-Cu材料,通过比较试样的致密度、显微硬度、显微结构等性能,研究了预加铜粉对熔渗烧结85W-Cu性能影响.实验结果表明预加铜粉能够有效降低钨颗粒的固相烧结,改善板材的冷轧塑性变形能力.但是,预加铜粉对材料的致密化不利,制备的材料致密度较低,且提高熔渗烧结温度不能有效提高致密度.     

Cu含量对纳米晶W-Cu复合粉末烧结行为的影响

研究了Cu含量对机械合金化纳米晶W—xCu(X=15,20,25)复合粉末烧结行为的影响,并考察了一种新型晶粒长大抑制剂对抑制W晶粒长大的作用,探讨了其作用机理。结果表明,Cu含量增加有利于烧结致密化,并减弱聚晶长大的趋势。纳米晶W—Cu粉末在1200-1250℃烧结30min后,致密度为97％～98％,对应的晶粒度约为300～500nm,其中1200℃烧结30min对应的晶粒尺寸约为300～350nm,明显低于国外1μm的晶粒度水平,新型晶粒长大抑制剂有望对W晶粒长大有明显的抑制效果。