假合金CuW/Al熔渗界面形成机理及调控机制研究

Due to the increasingly scarce copper strategic resources, the prospective study is conducted on melt-infiltration interface controllable preparation for the heterogeneous materials of pseudo CuW alloy/ Al (Al alloys). The integral composite material of pseudo CuW alloy/Al (Al alloys) is prepared by melt-infiltration method, and the too much emphasis is placed on the formation and regulatory mechanism of melt-infiltration interface. The key points are to clarify the dissolution mechanism of tungsten skeleton at the interface, and the thermodynamic conditions of the chemical reaction among Al, Cu and W phase and the sequence of compound formation, thus disclosing the formation mechanism of the interface. Based on these investigations, the effect of Al melt superheat, holding time, cooling rate, addition of alloying elements into Al and interface barrier layer metal on the formation and growth of intermetallic compounds at the interface was studied, and the control strategies are proposed for the interface structure of CuW/Al integral materials, and the relation of interface structure and the interface strength is established so as to lay the foundation of the application of the integral materials. The research findings can get deep understanding of the formation mechanism and characteristics for the metal/pseudo alloy, enrich the fundamental theory of solid-liquid interface connection, and promote the application of the new material formed by CuW alloy and Al instead of Cu in the high-voltage electrical apparatus and weaponry.

针对作为战略资源的铜不断匮乏的现状，开展假合金CuW/Al(Al合金)异质材料熔渗界面可控制备的前瞻性研究。拟将熔渗方法用于制备整体CuW假合金/Al(Al合金)复合材料，重点研究CuW假合金与Al熔渗界面的形成机理及调控机制。主要包括：阐明界面钨骨架溶解机制，澄清CuW假合金中Cu、W相与Al之间发生化学反应的热动力条件及化合物生成序列，揭示界面的形成机理；在此基础上，研究Al熔体过热度、保温时间、冷却速率、Al中添加的合金元素及界面隔离层金属对界面金属间化合物的形成、生长的影响规律，提出调控CuW/Al整体材料界面结构的策略；建立界面结构与界面强度的构效关系，为该整体材料的应用奠定基础。研究成果可以使人们深入认识和理解（金属/假合金）熔渗液固界面的形成机制及特点，不仅可以丰富液固连接界面的基础理论，而且可以推动以铝代铜与CuW合金形成的新材料在高压电器、武器装备上的应用。

CuW/CuCr整体材料是高压电器领域一类重要的电接触材料，在铜资源不断匮乏和降低成本的需求驱动下，开展以铝代铜的CuW假合金与铝的连接具有重要意义。界面是异质材料连接的“纽带”，其结构将直接影响异质材料最终的界面强度和综合性能的发挥。因此，本项目重点研究了CuW假合金与Al熔渗界面的形成机理及调控机制。首先分别以Cu-Al、Al-W二元体系及Al-Cu-W三元体系为研究对象，讨论了温度、保温时间、气氛、冷却方式等工艺参数对界面扩散溶解层组织的影响。在Cu-Al二元体系中，优先形成带状AlCu相，然后形成Al2Cu相层，Al2Cu相以枝晶状方式长大，直至延伸到Al侧。在Al-W二元体系中，在W颗粒外层先形成Al4W，W颗粒逐变小，Al4W晶界粗化，随界面前沿Al液浓度的增加，Al12W相生成。在Al-Cu-W三元体系中，CuW/Al界面宽度高达数千μm，从CuW侧至Al侧依次形成了颗粒状、柱状、共晶和针状四个子扩散溶解层。扩散溶解层中，主要形成了Al2Cu、Al5W两种金属间化合物。以上三种界面结构随工艺参数的改变，化合物数量、形貌会发生改变，种类不变。采用第一性原理计算了界面金属间化合物的电子结构、结合能、生成焓、弹性模量。在此基础上，通过对Al端合金化、CuW表面设立隔离层和改变工艺参数等途径对界面组织和强度进行调控。CuW/Al-Er 和CuW/205A体系均是较优的合金化处理方案；CuW表面设立Ni、Ti隔离层也是对CuW/Al界面组织控制的有效策略，合金化和设计隔离层的作用优于工艺参数的调控。界面调控时，Al2Cu组织的细化对强度的提高起关键作用，主要表现在界面近CuW侧柱状Al2Cu的数量(减少)和形貌(柱状由长变短)的改变，同时在界面近Al侧的Al5W相的也更细小。经调控，界面结合强度提高20%。.研究结果可使人们深入认识和理解Al-Cu-W三元体系中固液界面的形成机理，丰富了固液界面的实验数据，获得了调控界面结构的多种方法，实现了良好的冶金结合，为该材料在高压电器的应用奠定了基础。