W-Cu复合材料的激光熔覆快速成形及其性能研究(3)
为两类[8]
，如图1.1所示。高温烧结 W 骨架后渗Cu 得到的零件致密度高，韧性好，有良好的
导热导电性，但是其后续加工繁琐，费用昂贵，生产周期长，成品率低[2,8]
。低温烧结部分混
和粉后渗 Cu的金属骨架强度较低，其工艺简单但对原材料的要求较高。对于高温条件下使
用的 W-Cu复合材料，熔渗法的关键在于提高金属骨架的强度。W 粉的平均粒度大，烧结温
度高可以适当提高金属骨架的强度[9]
，这是由于温度较高时低熔点的杂质和低价氧化物得以
消除。
直接烧结法是将各组分粉末混合之后压制成型，后直接烧结压坯得到产品，其成型机制
为液相烧结机制，如图 1.2 所示。图1.2（a）中列出了传统液相烧结的三个阶段；图 1.2（b）
为液相烧结各阶段粉末状态的示意图。
直接烧结法也可细分为两类，如图 1.1所示。高温液相烧结即将粉末加热到 Cu 的熔点以
上进行的液相烧结，其烧结温度高，致密度低，需要进行后续的加工来提高致密度。研究表
明[10]
，高温液相烧结样品的致密度随着对应粉末粒度的减小而增大。活化液相烧结是指在
W-Cu粉末系统中加入少量活化元素（一般为过渡族元素，例如 Ni、Co、Fe、Pb 等）进行的
液相烧结。J.L.Jolnson 和R.M.German[11]
等人的研究表明，Co 的活化效果最好，而 Ni 的活化
效果最差。这是由于 Co 可以在 W 颗粒周围形成薄的金属间化合物，促进颗粒重排。而 Ni
可以溶解于 Cu，削弱了活化作用[4]
（与在纯W 中的活化效果相比）。
1.1.3 钨铜复合材料的发展前景及难题
通过前人们的努力，使用传统方法制备的 W-Cu 复合材料性能得到了很大的提升，在粉
末体系和加工方法上均作出了一系列的优化。并且发展出一系列加工混合粉末的新方法，例
如采用高能球磨制备的超细 W-Cu 复合粉末[12]
，粒度在纳米级，可有效降低烧结温度，提高
致密度，得到均匀的组织。
然而，由于其仍需要使用专用的模具，故难以加工形状复杂的零件。近几十年发展起来
的快速原型技术，不同于传统的减材制造，采用增材制造的原理，可以直接成形各种形状的
零件。快速原型技术结合激光熔覆，发展出的激光立体成形技术，为 W-Cu 复合材料的直接
成形提供了新的方法。其难点主要集中在提高相对密度和减少烧结缺陷。论文的后续部分将
着重论述 W-Cu复合材料的激光熔覆快速成形技术。此处不作赘述。
1.2 激光熔覆快速成形
1.2.1 激光熔覆
激光熔覆是指利用高能激光束快速熔化熔覆材料，从而在金属基体表面形成一层熔覆层，以达到改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能的效果的一种表面改性技术[13]。
影响激光熔覆涂层质量的因素主要有熔覆材料，基体材料和加工参数（扫描速率，激光
功率等）。其中，熔覆材料与基体的热膨胀系数和熔点的匹配性以及两者之间的润湿性成为人们关注的焦点。熔覆材料与基体材料的热膨胀系数应满足同一性原则，相关文献[14]
给出了其匹配原则：
其中，σ1、σ2分别为覆层与基体的抗拉强度；∆ɑ为两者热膨胀系数差值；∆T 为熔覆温度
与室温的差值；E、γ分别为覆层的弹性模量和泊松比。相对于基体材料来说，覆层材料的熔
点应适当[15]，过高或过低均会引起基体表面或覆层的过烧，且熔点相差较大时无法形成冶金
结合。另外，覆层材料良好的润湿性也是保证基体与覆层紧密结合的必要因素。文献[13]中指
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