A four-layered W/Cu functionally graded material (FGM) (W90% + Cu10%/W80% + Cu20%/W70% + Cu30%/W60% + Cu40%, wt.% fraction) and a four-layered diamond/W-Cu FGM (W90% + Cu10%/W80% + Cu20%/W70% + Cu30%/W55% + Cu40% + diamond5%, wt.% fraction) were fabricated by microwave sintering. The thermal conductivity and thermal shock resistance of diamond/W-Cu FGM and W-Cu FGM were investigated. The morphologies of the diamond particles and different FGMs were analyzed using AFM, SEM, EDS, and TEM. The results show that a 200 nm rough tungsten coating was formed on the surface of the diamond. The density of the tungsten-coated diamond/W-Cu FGM, obtained by microwave sintering at 1200 ℃ for 30 min, was 94.66%. The thermal conductivity of the fourlayered diamond/W-Cu FGM was 220 W·m-1·K-1, which is higher than that of the four-layered W/Cu FGM (209 W m-1 K-1). This indicates that adding an appropriate amount of tungsten-coated diamond to the high Cu layer W/Cu FGM improves the thermal conductivity of the composite. The diamond/W-Cu FGM sintered at 1200 ℃ for 10 min exhibited better thermal shock resistance than diamond/W-Cu FGM sintered at 1100 ℃ for 10 min.
The thermal stress between W plasma-facing material (PFM) and Cu heat sink in fusion reactors can be significantly reduced by using a W-Cu functionally graded material (W-Cu FGM) interlayer. However, there is still considerable stress at the joining interface between W and W-Cu FGM in the W/W-Cu FGM/Cu portions. In this work, we fabricate W skeletons with continuous gradients in porosity by a modified sedimentation method. Sintering densification behavior and pore characteristics of the sedimented W skeletons at different sintering temperatures were investigated. After Cu infiltration, the final W-Cu FGM was obtained. The results indicate that the pore size and porosity in the W skeleton decrease gradually with the increase of sintering temperature, but the increase of skeleton sintering temperature does not reduce the gradient range of composition distribution of the final prepared W-Cu FGM. And W-Cu FGM with composition distribution from pure W to W-20.5wt.% Cu layer across the section was successfully obtained. The thickness of the pure W layer is about one-fifth of the whole sample thickness. In addition, the prepared W-Cu FGM has a relative density of 94.5 % and thermal conductivity of 185 W/(m·K). The W-Cu FGM prepared in this work may provide a good solution to alleviate the thermal stress between W PFM and Cu heat sink in the fusion reactors.
Sintering behavior of nanostructured(NS) W-Cu powders prepared by mechanical alloying (MA) was investigated as a function of sintering temperature. MA NS W-2owt%Cu and W-3owt%Cu composite powders with the crystal size of 20-30 nm were annealed at 90$0^{\circ}C$, and thermal characteristics of those powders were investigated by DSC. Sintering behavior of MA NS W-Cu composite powders was investigated during the solid-state sintering and the Cu-liquid phase sintering. The new nanosintering phenonenon of MA W-Cu powders at solid-state sintering temperature was suggested to explain the W-grain growth in the inside of MA powders. The sintering densification of MA NS W-Cu powders was enhanced at Cu melting temperature by arrangement of MA powders, i.e., the first rearrangement of MA powders was occurred, and then the rearrangement of W-grains in the sintered parts was also took place during liquid-phase sintering, i.e., the second rearrangement was happened. Due to the double rearrangement process of MA NS W-Cu powders, the high sintered density with more than 96%o was obtained and the fine and high homogeneous state of W and Cu phases was achieved by sintering at 1200 $^{\circ}C$.
Recent remarkable progress in the semiconductor industry has promoted smaller size of semiconductor chips and increased amounts of heat generation. So, the demand for a substrate material to meet both the characteristics of thermal expansion coefficient and heat radiation has been on the increase. Under such conditions, tungsten(W)-copper(Cu) has been proposed as materials to meet both of the above characteristics. In the present study, the W-10wt.%Cu powders were synthesised by the mixing and hydrogen reduction of the starting mixture materials such as W-Cu, $W-CuCl_2$and $WO_3-CuCl_2$ in order to obtain the full densification. The W-10wt.%Cu produced by hydrogen reduction showed the higher interparticle friction than the simple mixed W-10wt%Cu because of the W agglomerates. In the dilatometric analysis the W-10wt.%Cu prepared from the $W-CuCl_2$was largely shrank by heating up $1400^{\circ}C$ at the constant heating rate of $5^{\circ}C$/min. The possibility of application of metal injection molding (MIM) was also investigated for mass production of the complex shaped W-Cu parts in semiconductor devices. The relationship between the temperature of molding die and the pressure of injection molding was analyzed and the heating up stage of 120-$290^{\circ}C$ in the debinding process was controlled for the most suitable MIM condition.
Recently, the fabrication process of W-Cu nanocomposite powders has been researched to improve the sinterability by mechanochemical process (MCP), which consists of ball milling and hydrogen-reduction with W- and Cu-oxide mixture. However, there are many control variables in this process because the W oxides are hydrogen-reduced via several reduction stages at high temperature over 80$0^{\circ}C$ with susceptive reduction conditions. In this experiment, the W-15 wt%Cu nanocomposite powder was fabricated with the ball-milling and hydrogen-reduction process using W and CuO powder. The microstructure of the fabricated W-Cu nanocomposite powder was homogeneously composed of the fine W particles embedded in the Cu matrix. In the sintering process, the solid state sintering was certainly observed around 85$0^{\circ}C$ at the heating rate of 1$0^{\circ}C$/min. It is considered that the solid state sintering at low temperature range should occur as a result of the sintering of Cu phase between aggregates. The specimen was fully densified over 98% for theoretical density at 120$0^{\circ}C$ for 1 h with the heating rate of 1$0^{\circ}C$/min.
Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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2003.03a
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pp.217-217
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2003
W-Cu 합금은 우수한 전기적, 열적 특성으로 인하여 열소산재료(Heat sink)로 많이 응용되고 있다. 첨단 전자부품 이외에도 핵융합로의 Diverter가 그 예로서, 내부는 고강도와 고융점의 특성을 요구하는 반면, 외부는 높은 열전도성을 필요로 한다. 그래서 동일한 조성의 일반적인 W-Cu 합금보다 W과 Cu의 조성이 점차적으로 변화하는 경사기능재료(Functionally Graded Materials)가 냉각효율이 클 것으로 기대된다. 현재, W-Cu FGM에 대한 많은 연구가 진행되고 있지만, 그 조성이 연속적으로 변화하는 W-Cu FGM에 대한 연구는 전무한 실정이다 본 연구에서는 방전플라즈마 소결장치(Spark Plasma Sintering System)와 용침고정을 이용하여 연속적인 조성변화를 갖는 W-Cu FGM을 제조하고 그 특성에 관해 분석하고자 하였다. 소결체가 밀도 변화를 갖게 되도록 제작한 특수 경사기능 몰드에 W분말을 장입한 후, 15㎬의 압력하에서 SPS를 이용하여 W소결체를 제조하였다. 제조된 W소결체는 수평관상로에서 수소분위기 하에 Cu 용침을 실시하여 W-Cu FGM을 제조하였다 SEM을 이용한 각 위치별 조직관찰과 Image Analyzer를 이용한 W과 Cu의 면적비, 그리고 비커스경도계에 의한 경도 측정을 실시하였다. 또 열기계적 분석기를 이용하여 측정된 선팽창률로부터 열팽창계수를 구하였다. 80$0^{\circ}C$에서 ?칭하는 반복적인 싸이클을 통해 열충격시험을 실시하였고, Laser flash method로 열확산계수를 측정하였다.
Recently, the fabrication process of the W-Cu nanocomposite powders has been studied to improve the sinterability through the mechanical alloying and reduction of W and Cu oxide mixtures. In this study. the W-Cu composites were produced by mechanochemical process (MCP) using $WO_3-CuO$ mixtures with two different milling types of low and high energy, respectively. These ball-milled mixtures were reduced in $H_2$ atmosphere. The ball-milled and reduced powders were analyzed through XRD, SEM and TEM. The fine W-Cu powder could be obtained by the high energy ball-milling (HM) compared with the large Cu-cored structure powder by the low energy ball-milling (LM). After the HM for 20h, the W grain size of the reduced W-Cu powder was about 20-30 nm.
W-12.8wt%Cu-7.2%Pb powders were milled at room temperature and $-100^{\circ}C$ to investigate the mechanical alloying behavior of immiscible W-Cu-Pb system and the effect of milling temperature on the extent of alloying and microstructural refinement. W-Cu-Pb powder reached steady state after further extended milling due to Pb addition, compared to the W-Cu system. The cryomilling at $-100^{\circ}C$ caused the more refinement of powder particle size, and enhanced the solubility of Cu or Pb in W, compared with milling at room temperature. In W-12.8wt%Cu-7.2%Pb powder cryomilled at $-100^{\circ}C$, the monotectic temperature of Cu-Pb as well as the melting temperature of Cu was decreased by refinement of Cu crystalline size, and the most amorphization was occurred after milling for 150 h.
The microstructure of the reagion of carters, created by Cu and W-Cu shaped charge jets, in a 1020 mild steel target has been intestiaged. The region ahead of the crater created by the Cu shaped charge jet, reveals dramatic grain refinement implying the occurrence of a dynamic recrystallization, while that of W-Cu one dose a martensitic transformation indicative of heating up to an austenitic region followed by rapid cooling.The impacting pressure calculated when the W-Cu shaped charge jet encounters the target is higher than that of the Cu one. The micro-hardness of the region ahead of the crater created by the W-Cu shaped charge jet is also higher than that of the Cu one. The microstructure of W-Cu slug remained in the inside of the craters depicts the occurrence of the remarkable elongation of W particles during the liner collaphse. From these results, the microstructural variation of the region ahead of the crater with Cu and W-Cu shaped charge jets is discussed in trems of the pressure dependency of the transformation region of ferrite and austenite phases.
The microstructure evolution during sintering of the W-5 wt.%Cu nanocomposite powders was investigated for the purpose of developing a high density W-Cu alloy. The W-5 wt.%Cu nanopowder compact, fully-densified during sintering at 1623 K, revealed a homogeneous microstructure that consists of high contiguity structures of W-W grains and an interconnected Cu phase located along the edges of the W grains. The Vickers hardness of the sintered W-5 wt.%Cu specimen was $427{\pm}22$ Hv much higher than that ($276{\pm}19$ Hv) of the conventional heavy alloy. This result is mostly due to the higher contiguity microstructure of the W grains compared to the conventional W heavy alloy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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