[發(fā)明專利]一種W/Cu功能梯度材料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910158324.0
• 申請(qǐng)日: 2019-02-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109702200A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周燕;文世峰;甘杰;段隆臣;楊展;方小紅;譚松成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）;武漢華科三維科技有限公司
• 主分類號(hào): B22F3/11
• 分類號(hào): B22F3/11;B22F7/02;C22C9/00;C22C27/04
• 代理公司: 武漢知產(chǎn)時(shí)代知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42238
• 代理人: 郝明琴

本發(fā)明公開(kāi)了一種W/Cu功能梯度材料及其制備方法，屬于增材制造技術(shù)以及粉末冶金領(lǐng)域。本發(fā)明中的W/Cu功能梯度材料的結(jié)構(gòu)一面為純鎢基板，另一面為純銅基板，兩基板之間由多孔鎢骨架滲銅形成梯度材料進(jìn)行連接，其中的多孔鎢骨架由3D打印進(jìn)行制備，然后通過(guò)滲銅法制得多孔鎢骨架滲銅梯度材料；該梯度材料所含元素及質(zhì)量百分含量為：W，50％；Cu，50％。本發(fā)明采用數(shù)字化增材制造技術(shù)能快速地成形具有多孔隙地鎢骨架復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且能準(zhǔn)確地控制鎢骨架孔隙的均勻分布、質(zhì)量的梯度分布，為制備嚴(yán)格意義上的W/Cu功能梯度材料提供了新技術(shù)手段。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于增材制造技術(shù)以及粉末冶金領(lǐng)域，尤其涉及一種W/Cu功能梯度材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)特殊環(huán)境下工作材料的要求日益提高，普通的陶瓷、金屬及復(fù)合材料的各項(xiàng)性能已經(jīng)很難滿足苛刻條件下對(duì)其性能的需求。在這種條件下，功能梯度材料應(yīng)運(yùn)而生，它將材料科學(xué)與物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科進(jìn)行交叉滲透，并引入新理論技術(shù)及實(shí)驗(yàn)技術(shù)。功能梯度材料(FGM)是指通過(guò)連續(xù)地改變兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料的結(jié)構(gòu)、組成、密度等，使其內(nèi)部界面減小甚至消失，從而得到材料成分非均勻變化而性能呈連續(xù)平穩(wěn)變化的新型非均質(zhì)復(fù)合材料。梯度材料在保留普通復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又引入組成梯度變化的設(shè)計(jì)思想，有效的克服了宏觀界面存在的不利影響。FGM的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在可以連接兩種不相溶的材料，提高粘結(jié)強(qiáng)度，減少不同材料之間存在的殘余應(yīng)力及裂紋驅(qū)動(dòng)力，有效消除不同材料界面之間的交叉點(diǎn)。

鎢銅功能梯度材料是近年來(lái)興起的一種新型鎢銅復(fù)合材料，其一端是高熔點(diǎn)、高硬度、低熱膨脹系數(shù)的金屬鎢或低含銅的鎢銅；另一端是高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、塑性好的金屬銅或是高含銅的鎢銅；中間是組成呈梯度變化的過(guò)渡層，這種新型非均質(zhì)復(fù)合材料將W、Cu的不同性能溶于一體，能夠很好的解決因熔點(diǎn)相差較大而存在的連接問(wèn)題，很好的緩和W、Cu之間的熱應(yīng)力，有利于W、Cu充分發(fā)揮各自的本征特征，獲得較好的力學(xué)性能、抗燒蝕性、抗熱震性等綜合性能。W/Cu功能梯度材料的這些優(yōu)點(diǎn)拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域，吸引了研究者們的興趣。尤其是在面對(duì)等離子部件及電子材料領(lǐng)域中的應(yīng)用，其既能承受高能熱流的沖擊，又能很好的解決與陶瓷基板的封接問(wèn)題。此外，在高溫條件下，銅蒸發(fā)吸熱會(huì)產(chǎn)生自冷卻的作用效果。因此，其在電工電子、軍工及能源領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。

雖然W/Cu功能梯度材料應(yīng)用范圍廣，但其制備工藝情況不太樂(lè)觀，熔滲法是制備該材料的一種重要方法，它是將W粉壓制成坯塊，在一定溫度下預(yù)燒制備成具有一定密度和強(qiáng)度的多孔W基體骨架，然后將熔點(diǎn)較低的金屬Cu熔化滲入到W骨架中，從而得到較致密的W-Cu合金的方法。其機(jī)理主要是在金屬液相潤(rùn)濕多孔基體時(shí)，在毛細(xì)管力作用下，金屬液沿顆粒間隙流動(dòng)填充多孔W骨架孔隙，從而獲得較致密的材料，采用該方法可以改善W-Cu材料的韌性。然而，對(duì)于W骨架的制備，傳統(tǒng)的燒結(jié)、有機(jī)溶蝕以及水煮溶解造孔難以精確控制W骨架的孔隙分布，難以獲得0～100％嚴(yán)格意義上的梯度材料，從而導(dǎo)致成形的材料難以滿足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)生功能缺陷。因此，孔隙分布不均及W骨架幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制是制約W/Cu功能梯度材料廣泛應(yīng)用的瓶頸，采用一種用于制造復(fù)雜W骨架孔隙結(jié)構(gòu)的先進(jìn)加工方法具有巨大的需求。數(shù)字化增材制造技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了難得的機(jī)會(huì)。數(shù)字化增材制造技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，通過(guò)這種技術(shù)，具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的零件易于準(zhǔn)確成形。在成形的過(guò)程中，系統(tǒng)的工作過(guò)程是將三維模型切片離散及掃描路徑規(guī)劃，得到可控制激光束掃描的切片輪廓信息，然后計(jì)算機(jī)逐層調(diào)入切片輪廓信息，通過(guò)掃描振鏡，控制高能激光束有選擇地熔化金屬粉末，逐層堆積成與模型相同的實(shí)體。可見(jiàn)，數(shù)字化增材制造技術(shù)由于其在電腦的精確控制下，以及對(duì)于成形材料以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的包容性，可以準(zhǔn)確的生產(chǎn)出具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)并且孔隙分布均勻的的W骨架，為嚴(yán)格制備W/Cu功能梯度材料提供了必要保障。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明采用數(shù)字化增材制造技術(shù)制得了一種連續(xù)梯度變化的W/Cu功能材料。