新型等离子转移弧焊接技术制备W-Cu复合材料的微观结构特性及其在热管理材料中的应用

【编辑推荐】本研究首次采用直流等离子转移弧（PTA）焊接技术成功制备钨铜（W-Cu）复合材料，突破传统粉末冶金局限。通过优化工艺参数，揭示了W颗粒阻碍铜熔体流动导致的孔隙形成机制，并利用透射电镜（TEM）解析了W/Cu界面原子级特征，为核聚变反应堆等离子体 facing materials 及电子封装材料提供了新型低成本制备方案。

　　

Highlight

材料与实验

实验所用钨（W）和铜（Cu）粉末形貌如图1所示。W颗粒呈标准球形（50-105微米），而Cu颗粒为近球形。扫描电镜（SEM）显示W颗粒表面光滑，Cu颗粒则存在轻微不规则性。

基底沉积实验（低碳钢+铜）

采用表1的PTA焊接参数，W-Cu复合材料在低碳钢（图2a,c）和铜基板（图2b,d）上均实现沉积。由于热导率差异，铜基板表现出更均匀的复合结构：铜基板通过快速散热有效控制层间温度，减少Fe污染；而低碳钢基板因热积累导致Fe扩散，形成Fe-W脆性相。

缺陷形成与强化机制

孔隙分为毫米级宏观孔（图3e）和纳米级微观孔。在铜基板样本中，W颗粒部分熔化形成的细长结构会阻碍铜液填充，产生局部孔隙。单道沉积时加强气体保护可减少孔隙，但多层沉积会导致铜氧化，产生未熔合和氧化物夹杂。有趣的是，透射电镜（TEM）显示W/Cu界面存在清晰边界，无原子互混现象，但界面附近铜晶粒出现显著细化——这首次揭示了PTA工艺对铜基体的局部晶粒调控作用。

结论

1. 1.

   首次实现直流等离子转移弧（PTA）技术在铜基板上制备W-Cu复合材料；

2. 2.

   钨颗粒部分熔化形成的富W区会限制铜流动，导致局部孔隙；

3. 3.

   PTA高热输入引发铜渗出，但通过优化工艺可控制孔隙率<5%；

4. 4.

   TEM证实W/Cu界面无扩散层，为后续界面工程研究提供新方向。