Новый сплав вольфрама с медью: свойства и применение

Новый сплав на основе вольфрама и меди открывает уникальные возможности для создания высокотехнологичных изделий. Обладая выдающимися физико-химическими свойствами, этот материал позволит конструкторам воплощать самые смелые идеи.

История создания сплава вольфрама с медью

Первые работы по созданию сплава вольфрама с медью были начаты в 1950-х годах учеными в исследовательском центре фирмы General Electric. Их целью было получить материал, сочетающий в себе огнеупорность вольфрама и высокую электропроводность меди.

«Мы понимали, что открываем новое направление в материаловедении, способное коренным образом изменить возможности инженеров в электротехнике и электронике», - вспоминал впоследствии руководитель исследовательской группы Роберт Уилсон.

Первый образец удалось получить в 1958 году методом порошковой металлургии с последующей инфильтрацией расплавленной меди. Новый сплав содержал 90% вольфрама и 10% меди и обладал уникальной термостабильностью.

Основные вехи развития технологии

• 1961 г. - запатентован состав сплава с содержанием Cu до 30%
• 1967 г. - разработана технология непрерывного литья заготовок
• 1972 г. - налажено промышленное производство на заводах General Electric
• 1981 г. - японские ученые используют сплав в качестве токопроводящих деталей в мощных генераторах

В настоящее время в мире ежегодно производится около 500 тонн сплава вольфрам-медь. Основные производители сосредоточены в США, Германии и Китае.

Физико-химические основы получения сплава вольфрам-медь

Сплав вольфрама с медью относится к псевдосплавам. Это связано с тем, что компоненты практически не растворяются друг в друге из-за большой разницы в температурах плавления (t_пл^Cu = 1083°C, t_пл^W = 3410°C). Поэтому структура представляет собой тугоплавкие зерна вольфрама, «ццементированные» жидкой фазой меди.

Технология получения заготовок

1. Измельчение исходных порошков меди и вольфрама
2. Гомогенизация смеси в шаровой мельнице
3. Прессование с давлением до 800 МПа
4. Спекание при температуре 1100-1200°С
5. Инфильтрация расплавленной медью в вакууме

Как видно из таблицы, с увеличением содержания меди растет теплопроводность, а также увеличивается ТКЛР.

Механические и теплофизические характеристики

Благодаря наличию тугоплавкой и прочной вольфрамовой составляющей, сплав обладает высокими значениями твердости и вязкости разрушения. Например, при содержании 20% меди твердость по Виккерсу составляет 380 кг/мм2.

В то же время за счет меди достигается хорошая теплопроводность - порядка 200 Вт/(м·К) для того же состава. Для сравнения, у чистой меди этот показатель равен 400 Вт/(м·К), а у вольфрама лишь 170 Вт/(м·К).

Термостойкость

Благодаря высокой температуре плавления вольфрама (3410°C), сплав вольфрам-медь демонстрирует отличную термостойкость при температурах свыше 1000°C. При этом сохраняется достаточно низкий для таких условий температурный коэффициент линейного расширения.

Это позволяет использовать сплав в качестве конструкционного материала в высокотемпературных устройствах, например в ракетных двигателях.

Области применения сплава вольфрам-медь

Электрические контакты и токопроводы

Высокая электропроводность в сочетании с эрозионной стойкостью и термостабильностью определяют широкое использование данного сплава для изготовления разъемов, контактов, токосъемников и других токоведущих элементов.

Детали ракетно-космической техники

Применение сплава в аэрокосмической промышленности связано с его уникальными физическими свойствами при экстремальных температурах и ударах.

К таким деталям относятся сопловые блоки ракетных двигателей, элементы систем охлаждения, теплозащитные экраны.

Лабораторное оборудование

Сплав используется для изготовления тиглей, контейнеров и других емкостей, предназначенных для работы с агрессивными химическими веществами при высоких температурах.

Производство сплава вольфрам-медь

В настоящее время основными производителями тяжелых сплавов на основе вольфрама являются компании из США, Германии и Китая. Например, американская корпорация Plansee ежегодно выпускает до 300 тонн различных марок сплава.

Контроль качества

Для обеспечения стабильности физических свойств сплава на всех этапах технологического процесса осуществляется многоуровневый контроль:

• анализ исходных материалов и шихты
• проверка однородности прессовок
• металлография отливок

Сертификация продукции из сплава вольфрам-медь

Для подтверждения качества и безопасности изделий из инновационного сплава необходимо проведение обязательной сертификации в аккредитованных центрах.

Основные этапы

1. Подача заявки на сертификацию и заключение договора
2. Отбор и идентификация образцов продукции
3. Испытания образцов на соответствие нормативам
4. Анализ полученных результатов
5. Принятие решения о выдаче сертификата

Проверяемые характеристики

• Химический состав
• Механические свойства
• Термостойкость
• Электропроводность
• Устойчивость к коррозии

Транспортировка и хранение сплава

Из-за высокой хрупкости заготовок и готовых изделий из сплава вольфрам-медь необходимо соблюдать особые меры предосторожности при транспортировке и хранении.

Требования к упаковке

• Жесткая тара, исключающая деформацию
• Вкладыши из вспененного полиэтилена или других амортизирующих материалов
• Герметичная упаковка для защиты от внешних воздействий

Условия хранения

Складские помещения для хранения сплава и изделий из него должны быть оснащены системами кондиционирования, обеспечивающими:

• Температуру 18-22°С
• Влажность не более 60%

Утилизация отходов производства

Отходы вольфрам-медного сплава подвергаются переработке на предприятиях цветной металлургии. Технология включает следующие этапы:

1. Измельчение отходов
2. Химическое выщелачивание
3. Электролитическое извлечение металлов