[發明專利]納米梯度復合W-Cu材料的制備方法

在審

• 申請號: 201610249898.5
• 申請日: 2016-04-21
• 公開（公告）號: CN105734318A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 范景蓮;劉濤;田家敏;蔣冬福;李鵬飛;高楊;郭垚峰
• 申請（專利權）人: 長沙微納坤宸新材料有限公司;中南大學
• 主分類號: C22C1/04
• 分類號: C22C1/04;C22C27/04;B22F9/04;B22F9/20
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 董芙蓉

技術領域

本發明涉及納米材料及粉末冶金領域，特別是納米梯度復合W-Cu材料的制備方法。

背景技術

W-Cu梯度復合材料是均質W-Cu復合材料和功能梯度化結合的產物，兼有組元W、Cu和組織性能梯度化的特性。W作為熔點最高的金屬，具有高強度、低熱膨脹系數、熱穩定性好等優點；Cu具有良好的加工性、高導熱/電性、穩定的化學性能等優勢，因此，W-Cu梯度復合材料在電子、交通、航空航天等領域上具有很大的應用價值。

目前W-Cu梯度復合材料的制備方法主要有熔滲法、粉末冶金法、等離子噴涂法等。熔滲法是均質W-Cu材料制備常見的一種工藝，先通過高溫燒結加有造孔劑和誘導銅的W坯樣，再在制備的具有一定孔隙率的W骨架中滲入銅液，其特點是制備的W-Cu材料的力學性能和導電性能較好，但W骨架燒結溫度高，孔隙分布難以控制，W晶粒粗大，組織不均勻，而且高Cu含量W骨架較難制備，特別在W-Cu梯度復合材料的制備中，成分分布和形狀難以精確控制(收縮不一致)。此外，采用熔滲法制備W-Cu梯度復合材料時后續還要用機加工去除多余的銅，增加了生產成本、降低了成品率和工作效率。粉末冶金法是將不同成分的W-Cu混合粉，逐層鋪裝，壓制成具有梯度結構的壓坯，再通過高溫液相燒結獲得具有梯度結構的W-Cu復合材料。由于不同成分的W-Cu粉末燒結溫度不一致，在同一溫度下液相燒結時會出現樣品致密度不高，以及組織粗大等現象，進而使得材料性能差。W-Cu功能梯度材料的等離子噴涂法主要分為氣氛等離子噴涂(APS)和真空(低壓)等離子噴涂(VPS)，此法通過控制工藝參數(噴粉的成分比例、溫度及噴涂速度等)來調整涂層組織和成分。但是，這種方法制備的W-Cu梯度復合材料中由于各層之間的結合以機械結合為主，結合強度低，且梯度材料孔隙率高，各梯度層的結合部位容易剝落。

近年來研究表明，通過提高W-Cu復合粉末成分均勻性并減小粉末粒度可顯著緩解W和Cu的相溶性，進而提高液相燒結致密化。這方面的研究主要有高能球磨工藝和熱化學工藝。傳統的高能球磨工藝，可以減小粉末粒度、增加Cu在W中的固溶度，得到高致密度的單一成分W-Cu復合材料。本專利發明人在前階段已申請并獲得了一項國家發明專利“細晶鎢銅復合材料的制備方法”(專利號：ZL200510031446.1)，該專利以可溶性鎢鹽、銅鹽晶體為原料，采用溶膠噴霧干燥-煅燒還原工藝制備的超細/納米W-Cu復合粉末，粉末純度高、燒結致密化溫度較常規W-Cu粉末明顯降低，低溫一步燒結后可得到高致密、細晶W-Cu復合材料。但這些方法制備的W-Cu復合材料由于成分不同導致不同銅含量的W-Cu復合粉末需要不同的燒結溫度下達到全致密，這就使得采用納米復合W-Cu粉末直接制備梯度材料過程時梯度材料燒結溫度的選擇存在難點，很難達到在一個溫度下實現梯度材料近全致密度燒結。

發明內容

針對以上方法所制備的梯度W-Cu復合材料在材料性能和致密化方面存在的問題，本發明結合已有研究成果，采用納米復合技術制備超細/納米W-Cu復合粉末，通過控制W-Cu復合粉末的粒度、形貌來改變不同成分的W-Cu復合粉末的燒結活性，實現不同成分的W-Cu復合粉末在同一溫度下燒結近全致密，進而采用分層鋪粉壓制和一步燒結制備晶粒細小、均勻、近全致密且梯度層各層結合完好的W-Cu梯度復合材料。本發明制備的納米梯度復合W-Cu材料的致密度高達98.5％以上，合金組織細小均勻，層間結合性能好，材料性能沿厚度方向連續變化。

本發明為達到上述目的，采用的具體方案如下：

(1)采用溶膠-噴霧干燥-熱還原技術、機械合金化技術、溶膠-凝膠技術中的一種或幾種制備多種成分的W-Cu復合粉末，通過控制最終復合粉末的粒度、形貌，進而改變不同成分的W-Cu復合粉末的燒結活性，獲得能在相同溫度下燒結近全致密的不同成分的W-Cu復合粉末；

具體的，溶膠-噴霧干燥-熱還原法制備具有同一致密化溫度的納米復合W-Cu粉末：銅含量在10-30wt.％的W-Cu復合粉末煅燒溫度控制在400-500℃，還原溫度控制在600-750℃，還原時間在1-2h；銅含量在30-40wt.％的W-Cu復合粉末煅燒溫度控制在500-700℃，還原溫度控制在750-850℃，還原時間在2-3h；銅含量在40-60wt.％的W-Cu復合粉末煅燒溫度控制在700-800℃，還原溫度控制在800-900℃，還原時間在3-4h。