激光增材制备钨铜梯度合金的组织和性能研究.pdfVIP

摘要

W-Cu复合材料属于非真实合金范畴，集成了W和Cu的各自性能优势，具备优异

的导电导热性、低热膨胀系数、良好的耐磨损性能以及抗电弧侵蚀能力，应用范围涵盖

电子、微电子、航空航天、国防及医疗等众多领域。在大功率器件中，W-Cu复合材料

被认为是理想的散热材料。然而，微波器件的持续小型化、高度集成化及高功率化导致

发热率逐渐增高，传统均质W-Cu复合材料难以达到电子基板散热性能的要求。W-Cu

功能梯度材料被视为应对上述挑战的有效途径，但传统功能梯度材料的制备方法面临诸

如低制造效率、结合强度不足和致密度不理想等挑战。选区激光熔化（SLM）技术凭借

自下而上的逐层加工特性，能在同一构件中实现材料成分连续变化，为制备功能梯度材

料提供了新的途径。因此，本文选用低能球磨处理的W-30wt.%Cu（W-30Cu）混合粉末

作为成形材料，研究了其SLM工艺参数对成形质量的影响规律。由于SLM工艺很难获

得完全致密的W-30Cu合金，进一步研究了添加少量Ni粉对SLM成形W-Ni-xCu合金

成形质量、显微组织和性能的影响，最终基于优化的工艺参数获得了高质量的W-Ni-xCu

梯度合金。具体研究内容如下：

（1）在试验的工艺参数范围内，优化工艺发现SLM成形W-30Cu合金的最佳工艺

参数组合为：激光功率400W、扫描速度400mm/s、扫描间距0.07mm和铺粉层厚0.03

mm，获得W-30Cu合金致密度可达98.32%，显微组织呈现W颗粒均匀分布在Cu中，

两相互不相溶，其显微硬度为144.03HV0.3，抗拉强度为583.68MPa，断裂延伸率为4.28%，

热导率和热膨胀系数分别为191.42W·m-1·K-1和7.93×10-6/K。

（2）采用SLM成形W-30Cu合金的最佳工艺参数制备了W-Ni-xCu合金，Ni粉的

引入使其相比SLM成形W-30Cu合金的成形性及性能提升，通过对W-Ni-xCu合金的微

观组织分析发现，随着W含量升高，W颗粒的团聚和结合现象变得明显，Ni与Cu形

成了CuNi相。高Cu量W-Ni-xCu合金呈现更好的拉伸性能和导热性，高W量W-Ni-

xCu合金具有更高的显微硬度和热膨胀性能。

（3）设计并制备了W(5Ni)-15Cu/W(5Ni)-30Cu/W(5Ni)-45Cu三层梯度合金，其各梯

度层致密且结合紧密，微观组织呈现明显梯度变化，符合设计。梯度合金中大尺寸的孔

隙均分布在封装层中，大部分孔径在100μm以下，热导率为77.496W·m-1·K-1。

关键词：选区激光熔化，W-Cu，W-Cu功能梯度材料，电子封装热沉材料

Abstract

W-Cucompositematerials,classifiedasnon-genuinealloys,integratetheindividual

advantagesofWandCu,exhibitingsuperiorelectricalandthermalconductivity,lowthermal

expansioncoefficient,goodwearresistance,andresistancetoarcerosion,withapplications

acrossnumerousfieldssuchaselectronics,microelectronics,aerospace,defense,andmedicine.

Inhigh-powerdevices,W-Cucompositematerialsareconsideredidealforheatdissipation.

However,theongoingminiaturization,increasedintegration,andhigherpowerofmicrowave

deviceshaveledtoarisingheatgenerationrate,makingitchallengingfortradit