Physico-mechanical properties of composites Cu - 20 wt. % W, obtained by shock-wave compacting of bicomponent nanopartic.pdf Введение Вольфрам-медные композиты сочетают хорошую электро- и теплопроводность с высокой пластичностью, прочностью, коррозионной стойкостью и износостойкостью [1, 2]. В композите вольфрам образует тугоплавкую твердую фазу, которая обладает высокой прочностью и низким коэффициентом теплового расширения, медь является пластичной фазой, имеющей хорошую теплопроводность и электрическую проводимость. Композиты W-Cu используются в электрических и электронных материалах, таких, как сверхмощные электрические контакты, сильноточные автоматические выключатели, электроды для контактной сварки, радиаторы и контактные наконечники в пистолетах для дуговой сварки металлическим газом [3]. Изготовление плотного композита W-Cu - достаточно сложная задача. Вольфрам и медь являются несмешивающимися металлами, в которых отсутствует взаимная растворимость. Вследствие большой разницы между температурами плавления вольфрама (3695 К) и меди (1358 К) спекание порошков W и Cu не приводит к высокой прочности композита [4]. Наиболее распространенным способом получения композитов W-Cu является пропитка пористого вольфрамового каркаса жидкой медью. Однако в композите, полученном указанным методом, присутствуют такие дефекты, как поры и агломераты вольфрама, что в конечном итоге не позволяет получить достаточно высокие свойства материала [5]. Поэтому развиваются другие методы изготовления композитов W-Cu, включающие термомеханические процессы [6], литье под давлением [7], горячее прессование и т.д. Ударно-волновое компактирование (УВК) является перспективным методом получения композитов из порошков несмешивающихся металлов [8, 9]. Длинноимпульсное ударно-волновое компактирование позволяет создавать материалы с такими механическими свойствами, как у образцов, получаемых с помощью короткоимпульсного (≈ 1 мкс) нагружения, но при более низком давлении. В отличие от короткоимпульсного нагружения, длинноимпульсное обеспечивает значительное снижение трещиноватости компактов [10]. Длинноимпульсное ударно-волновое компактирование нанопорошка W-Cu может позволить получить плотный композит с высокими механическими характеристиками. В настоящей работе представлены результаты исследований физико-механических свойств объемных композитов Cu-20 вес. % W в зависимости от длительности ударно-волнового нагружения при компактировании биметаллических наночастиц из вольфрама и меди. 1. Материалы и методы исследований Для изготовления объемных композитов Cu - 20 вес. % W (далее Cu-20W) использовались биметаллические наночастицы Сu-W, полученные совместным электрическим взрывом проволок из меди и вольфрама. Методика получения биметаллических наночастиц совместным электрическим взрывом двух проволок различных металлов описана в работе [11]. Электрический взрыв осуществлялся в атмосфере аргона при давлении 3105 Па. Диаметр медной проволоки составлял 0.3 мм, вольфрамовой 0.1 мм. Проволоки имели одинаковую длину - 90 мм. Поскольку длина проволок была одинаковой, массовое соотношение металлов в продуктах взрыва проволок определялось величинами диаметров проволок и плотностью металлов. При указанных геометрических параметрах проволок содержание вольфрама в продуктах взрыва составило 20 мас. %, остальное медь. Зарядное напряжение емкостного накопителя энергии (U0) составляло 30 кВ при величине электрической емкости накопителя энергии (C) равной 2.4 мкФ. Дисперсный и фазовый состав частиц исследовался с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и рентгеноструктурного анализа (РСА) с использованием приборов JEM-2100 и ShimadzuXRD 6000 (СuKα-излучение). Величина энергии, вводимой в проволоки в условиях импульсного нагрева, рассчитывалась с использованием временных зависимостей токов и напряжения, регистрируемых с помощью токового шунта, трансформаторов тока и омического делителя напряжения. Схема регистрации приведена в работе [12]. Порошок компактировался с использованием стальной матрицы Ø = 26 мм в нержавеющих трубках (оболочка для нанопорошков). Для УВК использовались три схемы нагружения (рис. 1). Рис. 1. Схемы УВК: 1 - электродетонатор; 2 - доп. детонатор; 3 - взрывчатое вещество; 4 - песчаная забойка (а и б); 5 - подложка стальная; поз. 4 на б обозначен Детонит-М В первой схеме (рис. 1, а) для нагружения было использовано эластичное взрывчатое вещество (ЭВВ, плотность 1.7 г/см3, скорость детонации 7200 м/с) с дополнительным детонатором (диаметр 5 мм, масса 20 г) и песчаной забойкой. Во второй схеме (рис. 1, б) использованы ЭВВ с дополнительным детонатором и промышленным взрывчатым веществом Детонит-М (плотность 1.25 г/см3, скорость детонации 4000 м/с). В третьей схеме (рис. 1, в) в качестве взрывчатого вещества был использован Детонит-М с дополнительным детонатором и песчаной забойкой. В табл. 1 приведены параметры УВК. Таблица 1 Параметры ударно-волнового компактирования № схемы Диаметр/масса ЭВВ, мм/г Диаметр/масса пром. ВВ, мм Время нагружения, мкс 1 90/120 - 6.2 2 90/108 190/250 20 3 - 200/400 25 Зависимость длительности ударно-волнового компактирования от длины окружности фронта детонации представлена на рис. 2. Данные длительности ударно-волнового компактирования рассчитывались как время, необходимое для детонации всей площади ВВ в сборке с заданной скоростью, которая является характеристикой ВВ по формуле t = L/D, (1) где L - длина окружности фронта детонации; D - скорость детонации. Давление детонации определяли по формуле [13] , (2) где DH - скорость детонации; ρe - плотность ВВ. Микроструктура композитов исследовалась с использованием оптического микроскопа Altami MET 1Д. Рис. 2. Зависимость длительности ударно-волнового компактирования от длины окружности фронта детонации для схем нагружения № 1, 2 и 3 Микротвердость образцов исследовали с помощью микротвердометра ПМТ-3 с нагрузкой на алмазный индентор 200 г. Количество измерений для каждого образца составляло не менее 10 шт. Механические свойства композитов исследовались при одноосном сжатии на универсальной двухзонной напольной машине для испытания конструкционных материалов УТС 110М со скоростью движения траверсы 1 мм/мин. Образцы представляли форму параллелепипеда сечением 3.338 мм и высотой 5.9 мм. Испытания на сжатие проводились по три раза для каждой схемы ударно-волнового компактирования. Плотность композитов исследовалась методом гидростатического взвешивания. Исследование фазового состава и структурных параметров образцов проводилось на дифрактометре XRD-6000 на CuKα-излучении. Анализ фазового состава проведен с использованием баз данных PDF 4+, а также программы полнопрофильного анализа POWDERCELL 2.4. 2. Результаты и их обсуждение Рис. 3. Временные зависимости токов I(t), напряжения U(t) и введенной в проволоки энергии E(t): I(t), ICu(t) и IW(t) - общий ток в контуре, токи, текущие по медной и вольфрамовой проволоке соответственно; U(t) - напряжение на участке цепи, содержащем взрывающиеся проволоки; EСu(t) и EW(t) - временные зависимости величин энергий, вводимых в медную и вольфрамовую проволоки; tвзр - момент времени взрывного разрушения проволок На рис. 3 приведены временные зависимости токов, напряжения, а также вводимых в проволоки энергий, характерные для совместного взрыва проволок меди и вольфрама. Показано, что взрыв проволок близок к синхронному, о чем свидетельствует присутствие только одного локального максимума на кривой U(t) [12]. Для медной и вольфрамовой проволок, используемых для получения наночастиц, величины энергий сублимации (Ес) имеют значения 293 и 63 Дж соответственно. Анализ временных зависимостей E(t) показывает, что в медную проволоку вводится 1.7Ec, а в вольфрамовую 0.8Ec. Характерные микрофотографии наночастиц и распределение частиц по размерам приведены на рис. 4, а, б, распределение меди и вольфрама в наночастице - на рис. 4, в, г. Из рис. 4, а следует, что большинство частиц имеют размер менее 200 нм и нормально-логарифмическое распределение по размерам. Среднечисленный размер частиц равен (65±1) нм. Результаты элементного анализа, представленные на рис. 4, в, г, показывают, что в образце присутствуют наночастицы двух типов: 1 - наночастицы меди и 2 - янус-подобные наночастицы [14], которые представляют собой медную наночастицу, на поверхности которой находится меньшая или близкая по размеру наночастица вольфрама. Формирование частиц с янус-подобной структурой может быть обусловлено расслоением бинарного расплава, формирующегося в результате коагуляции кластеров меди и вольфрама, образующихся при диспергировании проволок. Поскольку для меди и вольфрама характерно отсутствие взаимной растворимости в жидком состоянии, формирующийся расплав расслаивается на две жидкие фазы, соответствующие меди и вольфраму. Под действием сил поверхностного натяжения жидкая фаза принимает сферическую форму, а последующее ее охлаждение приводит к кристаллизации и формированию частиц с разделением компонентов. Рис. 4. Микрофотографии и распределение частиц по размерам (а, б), анализ содержания элементов по линии (в, г): an - среднечисленный размер наночастиц Разные температуры плавления W (3695 К) и кипения Cu (2835 К) обуславливают различие в упругости паров компонент бинарного расплава, в результате чего бинарный расплав частично обедняется компонентой, имеющей более низкую температуру кипения [15]. В случае интенсивного охлаждения бинарного расплава Cu-W в мелкодисперсном состоянии разница в упругости паров меди и вольфрама создает условия для формирования гетерофазной системы, представленной мельчайшими частицами в состоянии бинарного расплава Cu-W и меди. Еще одним возможным механизмом формирования янус-подобных наночастиц Cu-W может быть столкновение и сплавление между собой наночастиц меди и вольфрама, формирующихся при охлаждении продуктов диспергирования проволок. На рис. 5 приведены результаты рентгеноструктурного анализа с указанием фазового состава и размеров областей когерентного рассеяния (dокр) соответствующих фаз. Присутствие в образце метастабильной фазы β-W наиболее вероятно является следствием интенсивного охлаждения дисперсной фазы продуктов взрыва, способствующего стабилизации метастабильных состояний наночастиц [16]. Рис. 5. Данные РСА порошка Cu-20W На рис. 6 представлены изображения композитов, полученных методом УВК из биметаллических нанопорошков Cu-W. Рис. 6. Изображения композитов Cu-20W, полученных по схемам УВК: № 1 (а), № 2 (б) и № 3 (в) Из биметаллических порошков были получены образцы композитов Cu-W в виде таблеток. На поверхности образцов наблюдались сколы, которые возникли из-за попадания небольшого количества нанопорошка в зазор между матрицей и пуансонами. После УВК порошок в зазоре спекался, но из-за недостаточного давления прессования разрушался в процессе извлечения, образуя сколы на таблетке. Рассчитанные в соответствии с формулой (1) значения давления детонации для трёх схем ударно-волнового компактирования представлены на рис. 7 и в табл. 2. При ударно-волновом компактировании по схеме № 1 плотность композита составила 12 г/см3, за счёт высокой величины давления в ударной волне, которое может достигать 6 ГПа (рис. 7). При увеличении длительности УВК (схема № 2) происходит значительное увеличение плотности композита до 13.6 г/см3. Повышение плотности обусловлено двухстадийным нагружением нанопорошка ударной волной (рис. 7), ВВ со значительной разницей в скоростях детонации (7200 м/с) и Детонита-М (4000 м/с). При использовании схемы № 3 наблюдается наименьшая плотность 11.4 г/см3 из-за более низкого давления детонации (рис. 5), которое для Детонита-М составляет 3.7 ГПа. Рис. 7. Зависимость давления от длительности УВК для схем нагружения № 1, 2 и 3 Таблица 2 Параметры ударной волны и механические свойства композитов Cu-W № схемы УВК Длительность УВК, мкс Максимальное давление, ГПа Плотность, г/см3 Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Пластичность, % Микротвёрдость HV 1 6 6 12.0 507±18 457±11 5.0±0.4 183±7 2 19 от 5 до 3.1 13.6 480±22 450±12 5.8±0.6 238±9 3 25 3.7 11.4 706±15 488±9 7.9±0.5 255±8 Результаты измерения плотности подтверждаются изображениями микроструктуры (рис. 8), на которых видно, что в композитах, полученных по схемам № 1 и 3, наблюдаются поры размером до 10 мкм. Из рис. 8 видно, что компоненты в композитах распределены достаточно однородно. В структуре композита, полученного по схеме № 3, встречаются крупные недеформированные частицы, наличие которых, вероятно, обусловлено более низким давлением ударно-волнового компактиро- вания. Рис. 8. Микроструктура композитов Cu-20W, полученных методом УВК: а) схема № 1; б) схема № 2; в) схема № 3 Механические свойства композита определяются схемой ударно-волнового компактирования нанопорошка Cu-W (рис. 9, табл. 2). Использование УВК по схеме № 1 позволяет получать композит Cu-W с пределом текучести 457 МПа, пределом прочности 507 МПа и пластичностью 5 %. Увеличение длительности УВК (схема № 2) приводит к снижению предела текучести до 450 МПа, предела прочности до 480 МПа и незначительному увеличению пластичности до 5.8 %. Наибольшая длительность УВК позволяет значительно увеличить предел текучести до 488 МПа, предел прочности до 706 МПа и пластичность до 7.9 % (табл. 2). Рис. 9. Кривые напряжения-деформации композитов Cu-20W, полученных методом УВК Более низкие механические характеристики композитов Cu-20W для схем № 1 и 2 могут быть связаны с резким увеличением давления в течение 6 мкс, из-за чего в материалах могут зарождаться нанотрещины, как было показано в работе [10]. При этом в схеме № 2, несмотря на наибольшую плотность (см. рис. 7), наблюдаются наименьшие механические характеристики. Это также может быть связано с зарождением в композите и ростом нанотрещин в процессе дальнейшего ударно-волнового компактирования в течение 14 мкс (рис. 7). Таким образом, определяющим параметром при получении композита из нанопорошка Cu-W является не только длительность ударно-волнового компактирования, но и время, за которое достигается максимальное давление нагружения ударной волной. Композит Cu-20W, полученный по схеме № 3, имеет более высокие предел текучести (488 МПа) и предел прочности (706 МПа) по отношению к чистой меди, предел текучести и предел прочности которой составляют 150 и 160 МПа соответственно [17]. Пластичность композита Cu-20W (схема № 3) составляет 7.9 %, что выше пластичности вольфрама (1.9 %), но заметно ниже пластичности меди (35 %), что объясняется высоким содержанием вольфрама в материале. Микротвёрдость композита при увеличении длительности ударно-волнового компактирования также увеличивается от 183 до 255 HV (см. табл. 2). Вероятно, вследствие интенсивного нагружения композита в схемах № 1 и 2 может происходить формирование нанотрещин, тогда как большая длительность ударно-волнового компактирования в схеме № 3 позволяет получить более однородную структуру материала. Из данных рентгеноструктурного анализа (табл. 3) следует, что по мере увеличения длительности ударно-волновой обработки композита величина микроискажений кристаллической решётки медной фазы уменьшается. Это существенно увеличивает трещиностойкость композита Cu-20W и обеспечивает более высокие механические характеристики для материала, полученного по схеме № 3. Таблица 3 Данные рентгеноструктурного анализа № схемы УВК Фазы Содержание, мас. % Параметр решетки, Ǻ Размер ОКР, нм d/d 10-3 1 β-W 8.2 a = 5.0439 71.19 0.221 Cu 88.5 a = 3.6122 69.26 2.052 α-W 3.3 a = 3.1604 52.14 0.868 2 β-W 9.4 a = 5.0462 85.23 0.495 Cu 87.1 a = 3.6152 24.04 1.246 α-W 3.6 a = 3.1640 85.30 0.495 3 β-W 10.1 a = 5.0414 60.49 0.868 Cu 86.1 a = 3.6118 31.08 0.453 α-W 3.8 a = 3.1615 56.20 0.675 Заключение Ударно-волновое компактирование биметаллических нанопорошков Cu-20W позволяет получать композиты из несмешивающихся металлов - вольфрама и меди. Максимальная плотность композита Cu-20W достигает величины 13.6 г/см3 при двухстадийной схеме нагружения, когда первоначально на нанопорошок в течение 6 мкс воздействует давление до 7 ГПа, а после в течение 14 мкс - давление до 5 ГПа. Плотность не является определяющим параметром при деформации и разрушении композитов Cu-20W, полученных методом УВК. Наибольшие механические свойства (предел текучести 488 МПа, предел прочности 706 МПа, пластичность 7.9 %, микротвёрдость 255 HV) компози¬та Cu-20W достигаются при относительно плавном увеличении давления ударно-волнового компактирования до 5 ГПа в течение 25 мкс (схема № 3). Вероятно, при этом в композите успевает происходить релаксация внутренних напряжений, а в материале не образуются нанотрещины.

Скачать электронную версию публикации