一種高致密鉬銅合金的熱等靜壓制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，尤其是電子封裝與熱沉材料領(lǐng)域，具體為一種高致密鉬銅合金的熱等靜壓制備方法。采用本發(fā)明能夠制備出高致密、高銅含量、大尺寸的鉬銅合金，尤其適用于行波管的收集極部件，具有較好的應(yīng)用前景。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的電子封裝材料主要有Invar (中文名:因瓦合金，即含有35.4%鎳的鐵合金)、Kovar (中文名:可伐合金)、純Mo、純W、Cu、Al等。其中，Invar、Kovar的導熱性能差；而純Mo、純W加工困難、密度大；Cu、Al的熱膨脹系數(shù)過大，容易產(chǎn)生熱應(yīng)力問題。基于上述缺點，現(xiàn)有的電子封裝材料已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代信息化發(fā)展的需求。
[0003]鉬銅合金是由Mo與Cu組成的一種假合金材料，其既有Mo高強度、低熱膨脹的特點，又綜合了 Cu優(yōu)異的導熱導電性。同時，可以通過調(diào)節(jié)Mo/Cu的比例，設(shè)計出膨脹系數(shù)及導電導熱率不同的Mo/Cu材料，這種特性使鉬銅合金既能與硅基片、砷化鎵等材料很好的匹配封接，又具有良好的導熱性能。因此，鉬銅合金被廣泛應(yīng)用于電子封裝、熱沉材料以及一些大功率基礎(chǔ)電流模塊上。
[0004]然而，Mo與Cu之間不相溶，潤濕性極差，且二者的熔點相差很大，這給鉬銅合金的制備帶來了難題。目前，國內(nèi)有關(guān)鉬銅合金的研制主要針對Cu含量質(zhì)量百分比30%以下的鉬銅合金開展的，其制備方法主要為液相燒結(jié)或熔滲。采用液相燒結(jié)制備鉬銅合金時，難以較高的致密化要求，活化劑的添加又會影響合金的導熱導電性能；而采用熔滲法制備鉬銅合金時，難以實現(xiàn)高Cu含量合金的制備，如果存在Cu含量過高，就會產(chǎn)生液相外溢，分布不均等問題，因此，僅能用于Cu含量30wt%以下鉬銅合金的制備。
[0005]綜上，采用現(xiàn)有方法制備普通鉬銅合金時，存在相對密度較低，成分分布不均，樣品尺寸較小等問題。而鉬銅合金的致密度與均勻性直接影響材料的熱導率、器件的氣密性，因此，目前迫切需要一種新的方法以有效解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對采用現(xiàn)有方法制備鉬銅合金時，存在相對密度較低，成分分布不均，樣品尺寸較小等缺陷，影響材料熱導率、器件氣密性的問題，提供一種高致密鉬銅合金的熱等靜壓制備方法。本發(fā)明先制備出冷壓坯，然后采用氫氣還原去除低密度氧化物相，通過高真空熱等靜壓致密化燒結(jié)的方法，成功解決了鉬銅合金的致密度問題，同時大大降低了燒結(jié)溫度，有效的控制了材料的界面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了成分的均勻分布，優(yōu)化了材料的導熱性能。采用本發(fā)明能夠成功制備出高致密、高銅含量、大尺寸的鉬銅合金，滿足電子封裝和熱沉材料對材料強度和熱導率等性能的要求，具有較好的市場應(yīng)用前景，值得大規(guī)模推廣和應(yīng)用。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種高致密鉬銅合金的熱等靜壓制備方法，包括如下步驟: (1)稱取原料
按如下質(zhì)量百分比稱取合金原料:40~60%的鉬、40~60%的銅；
(2)球磨
將步驟I稱取的合金原料放入球磨罐中進行球磨，以乙醇作為研磨介質(zhì)，并向球磨罐中充入氬氣保護，球磨15~25h，得到混合粉末；
(3)冷等靜壓成型
將步驟2制備的混合粉末置于軟模中，再采用冷等靜壓成型，壓力為180~260MPa，時間5~20min，得到冷壓坯；
(4)預燒脫氧
將步驟3得到的冷壓坯進行氫氣還原以去除氧化物相，還原溫度為200~800°C，還原結(jié)束后，完成冷壓坯的預燒；
(5)熱等靜壓燒結(jié)
將步驟4預燒后的冷壓坯裝入金屬包套中，經(jīng)加熱除氣后，在氬氣或氮氣氣氛下進行熱等靜壓燒結(jié)，壓力為70~150MPa，溫度為800~1100°C，時間為50~120min，即得初產(chǎn)品；
(6 )脫模
將步驟6制備的初產(chǎn)品脫除包套后，即得鉬銅合金。
[0008]所述步驟2中，球磨罐為不銹鋼球磨罐，磨球為鎢合金球。
[0009]所述步驟3中，軟模為塑料軟膜。
[0010]所述步驟3中，軟模為PVC軟膜。
[0011]所述步驟4中，還原時間為0.5~10h。
[0012]所述步驟4中，將步驟3得到的冷壓坯進行氫氣兩段還原，先在200~400°C下保溫
0.2~5h，完成一段還原，再在550~800°C下保溫0.3~5h，完成二段還原。
[0013]所述步驟5中，在氬氣或氮氣氣氛下進行熱等靜壓燒結(jié)，壓力為70~150MPa，先在800~950°C下保溫20~40min，再在1000~1100°C下保溫30~80min，即得初產(chǎn)品。
[0014]所述步驟6中，采用機械加工進行包套脫除處理。
[0015]Mo與Cu之間互不相溶，且潤濕性極差，而鉬銅合金作為一種假合金材料，高度致密化是最難解決的問題。此外，鉬和銅的氧化物的存在也會嚴重影響材料的致密性。為此，本發(fā)明提供一種高致密鉬銅合金的熱等靜壓制備方法，其能夠用于高致密、高銅含量、大尺寸鉬銅合金的制備，尤其適用于收集極材料的制備。該方法包括稱料、球磨、冷等靜壓成型、氫氣還原預燒、熱等靜壓燒結(jié)、脫模等步驟。
[0016]本發(fā)明中，首先稱取合金原料(即40~60%鉬和40~60%銅，銅和鉬的質(zhì)量百分比之和為100%)。再將稱取的合金原料進行球磨，球磨時采用乙醇作為研磨介質(zhì)，采用氬氣進行保護，球磨15~25h，得到混合粉末。再將得到的混合粉末置于塑料軟膜中，對軟膜依次進行抽真空、封口處理后，在180~260MPa的壓力下進行冷等靜壓成型，時間5~20min，得到冷壓坯。軟模的材料可選用PVC，根據(jù)樣品的形狀、大小，將PVC做成模具進行冷等靜壓成型。然后，再將得到的冷壓坯在200~800°C的高溫下進行氫氣還原，在還原的過程中，高溫同時完成對冷壓坯的預燒，還原結(jié)束后，完成冷壓坯的預燒。該步驟通過氫氣還原處理，能充分還原樣品中的氧化物，獲得低氧含量的壓坯。再將預燒后的冷壓坯裝入金屬包套中，經(jīng)加熱除氣后，再在氬氣或氮氣氣氛下進行熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓燒結(jié)的壓力為70~150MPa，溫度為800~1100°C,時間為50~120min，即得初產(chǎn)品。該步驟中，可采用高溫真空除氣。最后，將得到的初產(chǎn)品脫除金屬包套后，即得綜合性能良好的鉬銅合金。
[0017]本發(fā)明中，先制備出冷壓坯，然后采用氫氣還原去除低密度氧化物相，通過高真空熱等靜壓致密化燒結(jié)的方法，成功解決了鉬銅合金的致密度問題，同時大大降低了燒結(jié)溫度，有效的控制了材料的界面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了成分的均勻分布，優(yōu)化了材料的導熱性能。
[0018]經(jīng)測定，本發(fā)明制備的鉬銅合金中，鉬相和銅相相互嵌入，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖
1、2分別為本發(fā)明制備的鉬銅合金的SEM、XRD圖。本發(fā)明能夠保證制備的鉬銅合金物相純凈、成分均勾，并且在高銅含量(合金中，銅的質(zhì)量百分比達40~60wt%)的同時，樣品致密度達99.7%以上。
[0019]進一步，將冷壓坯進行兩段氫氣還原，先在200~40(TC下保溫0.2~5h，完成一段還原，再在550~800°C下保溫0.3~5h，完成二段還原。熱等靜壓燒結(jié)分為二段，壓力為70~150MPa,先在 800~950°C 下保溫 20~40min，再在 1000~1100°C 下保溫 30~80min，即得初產(chǎn)品O
[0020]綜上，本發(fā)明能夠用于制備致密化程度高、兩相分布均勻、導熱性能良好、氣密性好、樣品尺寸大的鉬銅合金，可滿足工程應(yīng)用的要求，特別適用于收集極材料。本發(fā)明制備的鉬銅合金具有高致密度、良好的導熱性能、高銅含量、大尺寸的