W-Cu功能梯度复合材料设计及电火花沉积法制备

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W-Cu功能梯度材料因具有高熔点、.高的溅射阈值及抗热震性等综合性能,而在航空航天、军事装备及核反应堆等领域得以广泛应用。然而当前W-Cu功能梯度材料制造工艺复杂,造价成本高,不利于大规模应用。因此实现梯度材料制备工艺技术的简单化、便捷化及成本的低廉化意义深远。基于此,本文首先采用ANSYS有限元软件分析了层厚及成分对W-Cu梯度功能材料制备过程温度场及应力场的影响。其次采用Material Studio软件从晶体学角度对W-Cu界面结合情况进行了计算。最后在前期理论分析基础上,进行了 W-Cu功能梯度材料的设计及电火花沉积法制备与评价。温度场及应力场模拟结果表明:随着设计层数的增加,沉积层中部截面Y方向的温度梯度变大,热影响区域变窄,对沉积层与基体界面中点应力分析发现,该点应力由单层时的拉应力变为4层时的压应力;随着单层厚度的增加,温度梯度更加均匀。低温区扩大,压应力大小及区域显著增加,当单层厚度为0.3mm时沉积层与基体界面中点处压应力可达315MPa。由模拟结果可知,在实际制备W-Cu梯度合金时,需要重点考虑梯度设计层数及单层厚度等因素以模拟结果为参考,对沉积过程中焊枪位姿、电极直径与涂层质量的关系进行分析,对采用电火花沉积法制备的W-Cu功能梯度材料进行评价,结果表明:采用3mm电极直径及45°焊枪角度时表面形貌较优,多道覆盖沉积可改善单次沉积时的粗糙形貌;随着成分设计梯度及单层设计厚度的增加,梯度材料沿厚度方向的组织、成分及性能梯度特征越明显。当单层厚度设计为0.3mm时,沿厚度方向元素分布及组织性能实现了梯度过渡;采用此种工艺制备的梯度功能材料内部存在一定量的孔洞及W-Cu偏析情况。W-Cu界面匹配性及结合性能分析表明:W-Cu直接结合时成键困难,结合性差,黏着功仅为0.73J/m2。本研究在计算及实验研究基础上,采用电火花沉积方法制备了 W-Cu梯度材料,为实现梯度材料设计及制备提供了相关理论支撑及新的工艺方法。
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