本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种梯度钨铜复合材料及其制备方法。
背景技术：
钨铜复合材料是由钨、铜两相组成的一种功能型复合材料，兼有铜的高导电、高导热性能，和钨的高熔点、低热膨胀等性能，被广泛用作电极材料，电接触材料、电子封装材料、热沉材料等。电触头材料是电器开关的接触元件，主要担负着接通、断开负载电流的任务。触头材料的物理性质及其电特性直接决定开关的安全性和可靠性，高压输电所用的触头材料是钨铜系复合材料最早也是最主要的应用。由于触头材料在使用过程中需多次开合，材料承受严重电磨损和机械磨损，同时，在开断过程中如果不能及时的散热会导致材料内部产生较大的热应力，引起材料表面裂纹产生，最终导致材料的部分脱落而使开关失效。因此高压触头材料同时需具有高的致密度，高的导热和导电性能，好的抗烧蚀性以及高的强度。随着目前高压输变电网络负荷日益增加、控制系统不断发展，对铜钨系触头材料的要求也更高，传统的钨铜复合材料多为采用粉末冶金方法制备，样品成分无法灵活控制、致密化程度较低、难以保证高的力学性能和电性能，导致循环使用次数较低。因此，传统的复合材料已经不能完全满足高压输电的使用要求，亟需对钨铜复合材料的结构及制备方法进行改进。
具有梯度结构的钨铜复合材料可以更充分发挥钨、铜各自的本征特性，实现铜、钨两种不同性能材料的最优搭配。高W含量的一端具有高的抗电弧烧蚀性和抗熔焊性，高Cu含量的一端具有良好的导电导热性，通过两相含量的有效调整可获得有较好的力学性能、抗烧蚀性、抗热震性等综合性能，非常适合作为超高压电触头材料。
但是常规条件下钨铜互不相溶，钨铜复合材料是一种典型的假合金，且由于两相的熔点相差很大，制备上存在一定的难度。关于梯度钨铜复合材料的成形，目前已提出各种方法，如干粉铺叠成形、注浆成形、沉降成形、离心成形等，但这些工艺都会存在工艺复杂、成份分布不能灵活控制、梯度不连续、密度低，强度低，杂质含量难以控制等缺点，应用范围受到很大限制。因此，研究高性能的钨铜梯度材料的制备技术与应用是钨铜复合材料当前和今后发展的一个重要方向。
近年来快速发展起来的金属电子束选区熔化技术是利用高能热源熔化金属粉末，通过逐点—逐线—逐层堆积的方法实现三维实体零件的直接制造，具有无模具、近净成形的优点。目前该技术已应用于不锈钢、高温合金及钛合金复杂零件的制备。但是目前该技术在钨铜复合材料上的制备上还并没有相关的应用。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种梯度钨铜复合材料，该复合材料采用高能电子束选区熔化技术制备钨铜复合材料中的钨骨架，该钨骨架结构强度明显高于传统烧结法制备的结构，并且能够通过模型自由调整，通过与渗铜技术相结合制备铜填充相，最终能够实现钨铜复合材料结构和性能的灵活可控。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种梯度钨铜复合材料，其特征在于，包括采用电子束选区熔化成型法制成的钨骨架和采用熔渗法制成的铜填充相，所述钨骨架沿其高度方向呈多层设置，每层钨骨架均为网状多孔结构，所述铜填充相填充于各层钨骨架的孔隙间且铜填充相的体积百分含量逐层增加或逐层减小。
上述的一种梯度钨铜复合材料，其特征在于，所述钨骨架的层数为四层，各层钨骨架的孔隙率从下到上依次为10％、20％、30％和40％，填充于各层钨骨架孔隙间的铜填充相的体积百分含量从下到上依次为10％、20％、30％和40％。
上述的一种梯度钨铜复合材料，其特征在于，所述钨骨架的层数为四层，各层钨骨架的孔隙率从下到上依次为15％、20％、25％和30％，填充于各层钨骨架孔隙间的铜填充相的体积百分含量从下到上依次为15％、20％、25％和30％。
另外，本发明还提供了一种制备上述梯度钨铜复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用电子束选区熔化成型的方法制备钨骨架，具体过程为：
步骤101、利用三维建模软件建立钨骨架的三维实体模型；
步骤102、利用切层软件对步骤101中建立的钨骨架的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束选区熔化成型机中，之后在电子束选区熔化成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、熔化电流和电子束扫描速率；
步骤103、将金属粉末加入到步骤102中设定加工参数后的电子束选区熔化成型机中，抽真空至真空度不大于1×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束选区熔化成型机中的底板进行预热直至底板的温度为800℃～1000℃；所述金属粉末为粒径不大于0.15mm，质量纯度不小于99.9％的钨粉；
步骤104、将金属粉末平铺在步骤103中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热；
步骤105、采用电子束按照步骤102中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤106、重复步骤104中所述的平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤105中所述的对预热后的金属粉末进行选取熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到钨骨架电子束选区熔化成型件；
步骤107、采用压力为0.8MPa～0.9MPa的压缩空气除去步骤106中所述钨骨架电子束选区熔化成型件中的粉末，清洗干净后烘干，得到钨骨架；
步骤二、将步骤107中所述钨骨架浸没于铜的熔融液中进行熔渗处理，使铜填充于钨骨架的孔隙间形成铜填充相，最终得到梯度钨铜复合材料。
上述的方法，其特征在于，步骤101中所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件。
上述的方法，其特征在于，步骤102中所述金属粉末层厚为50μm～70μm，所述熔化电流为20mA～40mA，所述电子束扫描速率为0.5×103mm/s～2.0×103mm/s。
上述的方法，其特征在于，步骤102中所述切层软件为Build Assembler软件。
上述的方法，其特征在于，步骤104中平铺在底板上的金属粉末的预热温度为800℃～1000℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、传统的粉末冶金法制备的烧结多孔钨骨架是粉末间依靠烧结颈相联形成，骨架强度有限，本发明提出以电子束选区熔化成型方法制备钨骨架，是利用高能电子束流将钨金属粉末完全熔化后凝固形成多孔结构钨骨架，强度明显高于传统制备方法；
2、本发明中，电子束选区熔化成型是根据三维模型直接成型，多孔钨骨架的结构可通过模型在一定范围内任意调整，钨骨架通孔率能达到100％，因此，以此方法制备钨骨架再经过渗铜处理制备出的钨铜复合材料，钨铜两相的比例可以根据需要任意调整，铜相亦可实现完全连续，对于钨铜复合材料的导电性有明显提升。
3、本发明中，电子束选区熔化成型过程中快热快冷的循环热作用将在成形组织内部产生较高的热应力。对于不同合金，需要通过使用不同的工艺参数实现热应力的控制，避免成型开裂，本专利针对钨骨架结构设计出相应的预热温度和粉末熔化条件，有效控制成型过程中的温度梯度和热应力，保证钨骨架的强度和精度。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例1至实施例3梯度钨铜复合材料的结构示意图。附图标记说明:
1—钨骨架；2—铜填充相。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例梯度钨铜复合材料包括采用电子束选区熔化成型法制成的钨骨架1和采用熔渗法制成的铜填充相2，所述钨骨架1沿其高度方向呈多层设置，每层钨骨架1均为网状多孔结构，所述铜填充相2填充于各层钨骨架1的孔隙间且铜填充相2的体积百分含量逐层增加或逐层减小。
如图1所示，本实施例梯度钨铜复合材料中，钨骨架1采用网格状的黑色实线表示，铜填充相2采用灰色填充色表示。
本实施例中，所述钨骨架1的层数为四层，四层钨骨架1在骨架的高度方向上呈整齐层叠设置，各层钨骨架1的孔隙率沿骨架高度方向从下到上依次为10％、20％、30％和40％，相对应地，填充于各层钨骨架1孔隙间的铜填充相2的体积百分含量从下到上依次为10％、20％、30％和40％。
结合图1，本实施例梯度钨铜复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、采用电子束选区熔化成型的方法制备钨骨架1，具体过程为：
步骤101、利用三维建模软件建立钨骨架1的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
步骤102、利用切层软件对步骤101中建立的钨骨架1的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束选区熔化成型机中，之后在电子束选区熔化成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、熔化电流和电子束扫描速率；所述金属粉末层厚为70μm，所述熔化电流为30mA，所述电子束扫描速率为1.0×103mm/s；所述切层软件为Build Assembler软件；
步骤103、将金属粉末加入到步骤102中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于1×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为1000℃；所述金属粉末为粒径不大于0.15mm，质量纯度不小于99.9％的钨粉；
步骤104、将金属粉末平铺在步骤103中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热，预热温度为1000℃；
步骤105、采用电子束按照步骤102中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤106、重复步骤104中所述的平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤105中所述的对预热后的金属粉末进行选取熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到钨骨架电子束选区熔化成型件；
步骤107、采用压力为0.85MPa的压缩空气除去步骤106中所述钨骨架电子束选区熔化成型件中的粉末，清洗干净后烘干，得到钨骨架1；
经检测可知，本实施例所制备的钨骨架1的层数为四层，四层钨骨架1在骨架的高度方向上呈整齐层叠设置，各层钨骨架1的孔隙率沿骨架高度方向从下到上依次为10％、20％、30％和40％，与设计要求相一致；
步骤二、将步骤107中所述钨骨架1浸没于铜的熔融液中进行熔渗处理，使铜填充于钨骨架1的孔隙间形成铜填充相2，最终得到梯度钨铜复合材料。
对本实施例制备得到的梯度钨铜复合材料进行检测可知，该复合材料由多孔的钨骨架1和填充在各层钨骨架1孔隙间的铜填充相2两部分组成。检测其剖面结构可知，该复合材料呈现出明显的四层复合结构，各层复合结构中钨骨架1的孔径大小均不相同。对各层复合结构中的铜含量进行检测可知，在各层复合结构中，所填充于各层钨骨架1孔隙间的铜填充相2的体积百分含量从下到上依次为10％、20％、30％和40％，与设计要求相一致。
实施例2
如图1所示，本实施例梯度钨铜复合材料包括采用电子束选区熔化成型法制成的钨骨架1和采用熔渗法制成的铜填充相2，所述钨骨架1沿其高度方向呈多层设置，每层钨骨架1均为网状多孔结构，所述铜填充相2填充于各层钨骨架1的孔隙间且铜填充相2的体积百分含量逐层增加或逐层减小。
如图1所示，本实施例梯度钨铜复合材料中，钨骨架1采用网格状的黑色实线表示，铜填充相2采用灰色填充色表示。
本实施例中，所述钨骨架1的层数为四层，四层钨骨架1在骨架的高度方向上呈整齐层叠设置，各层钨骨架1的孔隙率沿骨架高度方向从下到上依次为10％、20％、30％和40％，相对应地，填充于各层钨骨架1孔隙间的铜填充相2的体积百分含量从下到上依次为10％、20％、30％和40％。
结合图1，本实施例梯度钨铜复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、采用电子束选区熔化成型的方法制备钨骨架1，具体过程为：
步骤101、利用三维建模软件建立钨骨架1的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
步骤102、利用切层软件对步骤101中建立的钨骨架1的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束选区熔化成型机中，之后在电子束选区熔化成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、熔化电流和电子束扫描速率；所述金属粉末层厚为50μm，所述熔化电流为20mA，所述电子束扫描速率为0.5×103mm/s；所述切层软件为Build Assembler软件；
步骤103、将金属粉末加入到步骤102中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于1×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为900℃；所述金属粉末为粒径不大于0.15mm，质量纯度不小于99.9％的钨粉；
步骤104、将金属粉末平铺在步骤103中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热，预热温度为900℃；；
步骤105、采用电子束按照步骤102中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤106、重复步骤104中所述的平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤105中所述的对预热后的金属粉末进行选取熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到钨骨架电子束选区熔化成型件；
步骤107、采用压力为0.9MPa的压缩空气除去步骤106中所述钨骨架电子束选区熔化成型件中的粉末，清洗干净后烘干，得到钨骨架1；
经检测可知，本实施例所制备的钨骨架1的层数为四层，四层钨骨架1在骨架的高度方向上呈整齐层叠设置，各层钨骨架1的孔隙率沿骨架高度方向从下到上依次为10％、20％、30％和40％，与设计要求相一致；
步骤二、将步骤107中所述钨骨架1浸没于铜的熔融液中进行熔渗处理，使铜填充于钨骨架1的孔隙间形成铜填充相2，最终得到梯度钨铜复合材料。
对本实施例制备得到的梯度钨铜复合材料进行检测可知，该复合材料由多孔的钨骨架1和填充在各层钨骨架1孔隙间的铜填充相2两部分组成。检测其剖面结构可知，该复合材料呈现出明显的四层复合结构，各层复合结构中钨骨架1的孔径大小均不相同。对各层复合结构中的铜含量进行检测可知，在各层复合结构中，所填充于各层钨骨架1孔隙间的铜填充相2的体积百分含量从下到上依次为10％、20％、30％和40％，与设计要求相一致。
实施例3
如图1所示，本实施例梯度钨铜复合材料包括采用电子束选区熔化成型法制成的钨骨架1和采用熔渗法制成的铜填充相2，所述钨骨架1沿其高度方向呈多层设置，每层钨骨架1均为网状多孔结构，所述铜填充相2填充于各层钨骨架1的孔隙间且铜填充相2的体积百分含量逐层增加或逐层减小。
如图1所示，本实施例梯度钨铜复合材料中，钨骨架1采用网格状的黑色实线表示，铜填充相2采用灰色填充色表示。
本实施例中，所述钨骨架1的层数为四层，四层钨骨架1在骨架的高度方向上呈整齐层叠设置，各层钨骨架1的孔隙率沿骨架高度方向从下到上依次为15％、20％、25％和30％，相对应地，填充于各层钨骨架1孔隙间的铜填充相2的体积百分含量从下到上依次为15％、20％、25％和30％。
结合图1，本实施例梯度钨铜复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、采用电子束选区熔化成型的方法制备钨骨架1，具体过程为：
步骤101、利用三维建模软件建立钨骨架1的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
步骤102、利用切层软件对步骤101中建立的钨骨架1的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束选区熔化成型机中，之后在电子束选区熔化成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、熔化电流和电子束扫描速率；所述金属粉末层厚为60μm，所述熔化电流为40mA，所述电子束扫描速率为2.0×103mm/s；所述切层软件为Build Assembler软件；
步骤103、将金属粉末加入到步骤102中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于1×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为800℃；所述金属粉末为粒径不大于0.15mm，质量纯度不小于99.9％的钨粉；
步骤104、将金属粉末平铺在步骤103中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热，预热温度为800℃；
步骤105、采用电子束按照步骤102中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤106、重复步骤104中所述的平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤105中所述的对预热后的金属粉末进行选取熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到钨骨架电子束选区熔化成型件；
步骤107、采用压力为0.9MPa的压缩空气除去步骤106中所述钨骨架电子束选区熔化成型件中的粉末，清洗干净后烘干，得到钨骨架1；
经检测可知，本实施例所制备的钨骨架1的层数为四层，四层钨骨架1在骨架的高度方向上呈整齐层叠设置，各层钨骨架1的孔隙率沿骨架高度方向从下到上依次为15％、20％、25％和30％，与设计要求相一致；
步骤二、将步骤107中所述钨骨架1浸没于铜的熔融液中进行熔渗处理，使铜填充于钨骨架1的孔隙间形成铜填充相2，最终得到梯度钨铜复合材料。
对本实施例制备得到的梯度钨铜复合材料进行检测可知，该复合材料由多孔的钨骨架1和填充在各层钨骨架1孔隙间的铜填充相2两部分组成。检测其剖面结构可知，该复合材料呈现出明显的四层复合结构，各层复合结构中钨骨架1的孔径大小均不相同。对各层复合结构中的铜含量进行检测可知，在各层复合结构中，所填充于各层钨骨架1孔隙间的铜填充相2的体积百分含量从下到上依次为15％、20％、25％和30％，与设计要求相一致。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。