آلیاژهای سنگین تنگستن مواد با چگالی بالا هستند که به عنوان مواد نافذ پر انرژی وزنه های تعادل، مستهلک کننده های ارتعاش، سپرهای محافظ حرارت و اشعه و انواع کنتاکتورها استفاده می‌شوند. این آلیاژها کامپوزیتهای دو فازی هستند که در آنها فاز سخت تنگستن در یک زمینه نرم (معمولاً حاوی Ni توزیع شده است و مقدار تنگستن موجود در آنها ۹۸-۷5 درصد وزنی است. به علت نقطه ذوب بالای تنگستن عملاً تولید این آلیاژها با استفاده از روش‌های ذوب و ریخته‌گری غیر ممکن بوده و متالورژی پودر تنها روش تولید آنها است. در تولید صنعتی این آلیاژها از روش هائی نظیر رخنه دهى مذاب و تفجوشی فاز مایع استفاده میشود. در حالتی که آلیاژ حاوی مقدار کمی (۲-۳ درصد) فاز مایع باشد، چگال شدن در دقایق اولیه تفجوشی و جاگیری مجدد پس از ایجاد فاز مایع، رخ خواهد داد. اعوجاج در شکل نهائی، جدایش جامد و مایع، و نـیـز عـدم چگالش کامل از جمله مشکلاتی هستند که در تفجوشی فاز مایع آلیاژهای سنگین تنگستن به وقوع می پیوندد. با کنترل عواملی نظیر نوع واکنش های بین جامد و مایع درصد فازهای مختلف موجود در آلیاژ، دما و زمان تفجوشی می‌توان از بروز عیوب فوق جلوگیری نمود.
سیستم تنگستن-مس یکی از گروه‌های کامپوزیتی است که در چند سال اخیر مورد برسی قرار گرفته است. ترکیب با پایداری حرارتی بالا و ضریب انبساط حرارتی کم، با اانتقال حرارت زیاد مس، کاربردهایی همچون مواد مقاوم به حرارت، ماده در معرض پلاسما و کنتاکت‌های سویچ ولتاژ بالا را تسهیل می‌کند. کامپوزیت های تنگستن مس به عنوان الکترودهای جوشکاری نقطه‌ای استفاده می‌شوند.علاوه بر این به طور کلی به عنوان اینسرت (که نیازمند داشتن رسانایی حرارتی، و الکتریکی به همراه چکش خواری و استحکام است) برای جوشکاری مقاومتی جرقه‌ای و سر به سر، ماده‌ی هدف در برخورد با قوس ولتاژ بالا، لیدر های نورد فولاد، قالب ریخته‌گری، مبردها و غیره کاربرد دارد.
این دو فلز در حالت‌های جامد و مایع در هم حلالیت ندارند. هرگونه مخلوط از تنگستن و مس، تشکیل کامپوزیت تنگستن و مس می‌دهد. علاوه بر این تنگستن و مس اختلاف زیادی در دمای ذوب (حدود 2300°C )داشته اما دمای تفجوشی مشترکی هم ندارند. این خواص متفاوت، فرایند ساخت کامپوزیتهای تنگستن و مس را دشوار می‌کند. فرآیندهای مختلفی برای تولید کامپوزیتهای تنگستن مس استفاده شده است که در ادامه به آن پرداخته شده است.
تحقیقات انجام شده در فرآیندهای تولید کامپوزیت تنگستن مس
تاکنون روش‌های رایج و مدرنی برای تولید کامپوزیتهای تنگستن مس استفاده شده است. روش‌های رایج شامل رخنه دهی مذاب، تفجوشی فاز مایع در دمای بالا و تفجوشی فعال تحقیقاتی است که جدیدا در این حوزه کار شده است. که در ادامه نمونه تحقیقاتی در مورد آنها ذکر خواهد شد.
رخنه دهی مذاب
یکی از رایج‌ترین روش‌های تولید کامپوزیت تنگستن مس روش رخنه دهی مذاب است. در این روش ابتدا با استفاده از فرایند رایج تفجوشی یک بدنه متخلخل تنگستنی ایجاده کرده (دمای تفجوشی 900-1000°C) و سپس مس مذاب را در دمای 1300-1400°C و تحت اتمسفر احیایی درون حفره‌های اسکلت تنگستنی رخنه دهی می‌کنند. در یکی از تحقیقات کامپوزیتهای تنگستن مس با چگالی نزدیک به مقادیر ایده آل توسط روش شکل‌دهی تزریقی پودر تنگستن و رخنه دهی مذاب مس تولید شده است. در یک بررسی دیگر برای تولید کامپوزیتهای تنگستن مس با مقادیر 18-25 درصد وزنی با روش رخنه دهی مذاب، از منبع حرارتی میکرو-موج استفاده شده است.
فرآیندهای تفجوشی و رخنه دهی را می‌توان با هم یا جداگانه انجام داد که در این حالت خواص فیزیکی بهتری حاصل میشود. عیب روش رخنه دهی مصرف زیاد انرژی است. این روش نیازمند به کارگیری فشار خروجی است و کنترل مقدار تخلخل بسیار سخت است. اسکلت تنگستنی ممکن است دارای مقادیری حفرات بسته باشد که در فرایند رخنه دهی توسط مذاب مس پر نمی‌شوند.
تفجوشی فاز مایع در دمای بالا
همانطور که گفته شد دمای ذوب تنگستن و مس اختلاف زیادی داشته و حلالیت تنگستن در مس مذاب ناچیز است. علاوه بر این ترشوندگی مس مذاب و تنگستن بسیار ضعیف است. بنابراین می‌توان از روش تفجوشی فاز مایع استفاده کرد. این روش دارای سه مرحله است: مخلوط‌کردن پودرهای اولیه تنگستن و مس، فشردن در قالب و تفجوشی در دمایی بالاتر از ذوب مس.این روش نسبت به روش رخنه دهی بسیار ساده‌تر است. در طی این فرایند آرایش قرارگیری ذرات تنگستن تغییر کرده، نفوذ شدت یافته و محلول سازی و رسوب دهی رخ می‌دهد. در نهایت حفرات کوچک می‌شوند. مشکل رایج این روش رشد دانه در فاز مایع است که منجر به انقباض و ایجاد ترک میشود. برخی فرآیندهای ثانویه همچون پرس سرد، پرس داغ، اکتروژن و فرآیندهای آهنگری نیز برای افزایش بیشتر چگالی اعمال میشود. این فرآیندها هزینه تولید را افزایش می‌دهند. به طور کلی در صنعت برای تولید کامپوزیتهای حاوی مقدار کمتر از 20 درصد وزنی مس، از روش رخنه دهی مذاب و برای کامپوزیتهای حاوی مقادیر بالاتر مس، از روش تفجوشی فاز مایع استفاده میشود.
تفجوشی فعال شده
برای کامپوزیتهای تنگستن مس میزان انحلال تنگستن در مس کمتر از یک هزارم درصد اتمی است. این موضوع باعث میشود که حتی با فرایند تفجوشی فاز مایع در دمای بالا نیز کامپوزیتهای تنگستن مس به چگالی کامل نرسند. یکی از راه حل‌ها برای این مشکل، استفاده از عناصر فعال کننده تفجوشی برای حصول چگالی ایده‌آل است. تحقیقات نشان داده است که کبالت، نیکل، آهن و پالادیم تاثیر چشمگیری در فعال کردن تفجوشی تنگستن مس دارند. همچنین مشخص شده است که کبالت و آهن نسبت به نیکل دارای تاثیر فعال کنندگی قوی‌تری می‌باشند. دلیل این امر این است که حلالیت کبالت و آهن در شبکه‌ی مس محدود است و در نتیجه، یک فاز پایدار واسطه با تنگستن تشکیل می‌دهند. این فاز به علت جدایش، سطوح ذرات تنگستن را فرا گرفته و یک لایه با قابلیت نفوذ بالا تشکیل میشود. وجود این لایه واسطه میان ذرات تنگستن و مس میتواند تفجوشی کامپوزیت را به طور چشمگیری افزایش دهد. اخیرا مشخص شده است که افزودن مخلوط عناصر نیکل، منگنز و مس به عنوان فاز بایندر در کامپوزیت تنگستن مس میتواند دمای تفجوشی را به شدت کاهش دهد. در این بررسی یک کامپوزیت مرتبه‌ای 11 لایه با استفاده از پودرهای تنگستن، مس و پودر بایندر مذکور در دمای 1000°C تفجوشی شد. در کنار تاثیر مفید بر تفجوشی، وجود عناصر فعال ساز میتواند باعث کاهش رسانایی حرارتی و الکتریکی شود اما منجر به کاهش هزینه نهایی تولید میشود.
تفجوشی میکرو-موج
استفاده از امواج میکرو به علت مزیت‌های فراوان نسبت به تفجوشی معمولی، در یک دهه اخیر توجهات زیادی را به خود جلب کرده است. با استفاده از این روش دماهای بالا تفجوشی در مدت زمان بسیار کوتاه قابل دسترس است. هزینه تولید نیز از روش تفجوشی معمولی کمتر میشود. تحقیقات نشان می‌دهد که میکرو ساختار حاصله از روش تفجوشی میکرو-موج همگن تر چگال تر از تفجوشی رایج است. این روش برای تولید کامپوزیتهای چگال تنگستن مس در دمای 1250°C در مدت 10 دقیقه موثر بوده است.
پرس داغ
تفجوشی تحت فشار نیز یکی از روش‌های موثر برای تولید کامپوزیتهای تنگستن مس با چگالی بالا است. در این روش پودرهای کامپوزیتی یا مخلوط شده تنگستن و مس همزمان تحت فشار و دمای بالا قرار می‌گیرند. اعمال فشار باعث کاهش دمای تفجوشی شده و خواص فیزیکی و مکانیکی محصول نیز نسبت به روش رخنه دهی بهتر خواهد شد. این روش نیز همانند روش ریز-موج نیازمند تجهیزات پیشرفته و گران قیمت است که کاربرد صنعتی آنرا محدود می‌کند. با استفاده از روش پرس داغ کامپوزیتهای تنگستن مس با15-30 درصد وزنی مس در بازه دمایی 900-1300°C و فشار70-30 مگا پاسکال تولید شده است.
تفجوشی پلاسمایی جرقه‌ای
تفجوشی پلاسمایی جرقه ای یک روش پیشرفته برای تفجوشی سریع با اعمال فشار کمتر و جریان مستقیم به قطعه است. این روش قابلیت کنترل فشار و اتمسفر تفجوشی را دارد. پارامترهای موثر در چگالش قطعه با این روش شامل نرخ افزایش دما، دمای تفجوشی، فشار، جریان پالسی و زمان نگه داری است. کامپوزیت های تنگستن مس با این روش در دماهای 900-1050°C تولید شده است. این روش همچنین قابلیت تولید کامپوزیت های مرتبه ای تنگستن مس را نیز دارد.
قالب گیری تزریقی فلزات
برا ی قطعات کوچک، پیچیده و پرهزینه کاربرد دارد. در این روش پودر مواد را با یک مجموعه ماده پلیمری مخلوط و یک توده خمیری قابل تزریق به وجود می‌آید. سپس آن را توسط ماشین‌های تزریق معمولی تزریق کرده تا قطعه خام به دست آید. سپس قطعه خام را چسب زدایی کرده و ماده پلیمری (چسب) موجود در قطعه را برطرف می‌نمایند. قطعه چسب زدایی شده به منظور افزایش استحکام و خواص مکانیکی توسط کوره‌هایی با اتمسفر کنترل شده، تفجوشی میشود . از این روش برای تولید کامپوزیتهای تنگستن مس استفاده شده است.
آلیاژسازی مکانیکی
از این روش برای تولید ذرات کامپوزیتی تنگستن مس نیز استفاده میشود. هدف اصلی اکثر این تحقیقات، تولید یک مخلوط همگن و ریزدانه بوده است. علاوه بر این نشان داده شده است که آلیاژسازی مکانیکی پر انرژی میتواند در سیستم‌های غیر حلال همانند تنگستن مس، حلالیت ایجاد کند. افزایش حلالیت در کنار کاهش اندازه ذرات باعث افزایش قابلیت تفجوشی پودر کامپوزیتی تنگستن مس میشود. در طی این روش ذرات تنگستن و مس دچار تغییر شکل، جوش سرد و شکست میشود. در این روش به دلیل ایجاد لایه های پیاپی تنگستن مس، فاصله‌ی نفوذی بسیار کم شده و انحلال پذیری افزایش میابد. از این روش می‌توان به عنوان یک پیش عملیات قبل از روش‌های رایج تولید کامپوزیت تنگستن مس استفاده نمود. عیب این روش طولانی بودن زمان فرایند در کنار آلوده شدن مواد به عناصری همچون کربن، آهن، منگنز و اکسیژن است. علاوه بر روش های مذکور، روش های جدید دیگری نیز در مقیاس آزمایشگاهی برای تولید کامپوزیت های تنگستن مس استفاده شده است که کاربرد صنعتی ندارند. این روش ها شامل استفاده از الیاف تنگستن و پوشش دهی تنگستن و مس.
متالورژی فاطر در زمینه تولید پودر تنگستن و ساخت قطعات تنگستن-مس (W-Cu) فعالیت دارد. این شرکت با دستیابی به فناوری ساخت قطعات تنگستن-مس قادر به تولید آن با درصد سفارشی مس می‌باشد.
بدون دیدگاه