[发明专利]纳米梯度复合W-Cu材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料及粉末冶金领域，特别是纳米梯度复合W-Cu材料的制备方法。

背景技术

W-Cu梯度复合材料是均质W-Cu复合材料和功能梯度化结合的产物，兼有组元W、Cu和组织性能梯度化的特性。W作为熔点最高的金属，具有高强度、低热膨胀系数、热稳定性好等优点；Cu具有良好的加工性、高导热/电性、稳定的化学性能等优势，因此，W-Cu梯度复合材料在电子、交通、航空航天等领域上具有很大的应用价值。

目前W-Cu梯度复合材料的制备方法主要有熔渗法、粉末冶金法、等离子喷涂法等。熔渗法是均质W-Cu材料制备常见的一种工艺，先通过高温烧结加有造孔剂和诱导铜的W坯样，再在制备的具有一定孔隙率的W骨架中渗入铜液，其特点是制备的W-Cu材料的力学性能和导电性能较好，但W骨架烧结温度高，孔隙分布难以控制，W晶粒粗大，组织不均匀，而且高Cu含量W骨架较难制备，特别在W-Cu梯度复合材料的制备中，成分分布和形状难以精确控制(收缩不一致)。此外，采用熔渗法制备W-Cu梯度复合材料时后续还要用机加工去除多余的铜，增加了生产成本、降低了成品率和工作效率。粉末冶金法是将不同成分的W-Cu混合粉，逐层铺装，压制成具有梯度结构的压坯，再通过高温液相烧结获得具有梯度结构的W-Cu复合材料。由于不同成分的W-Cu粉末烧结温度不一致，在同一温度下液相烧结时会出现样品致密度不高，以及组织粗大等现象，进而使得材料性能差。W-Cu功能梯度材料的等离子喷涂法主要分为气氛等离子喷涂(APS)和真空(低压)等离子喷涂(VPS)，此法通过控制工艺参数(喷粉的成分比例、温度及喷涂速度等)来调整涂层组织和成分。但是，这种方法制备的W-Cu梯度复合材料中由于各层之间的结合以机械结合为主，结合强度低，且梯度材料孔隙率高，各梯度层的结合部位容易剥落。

近年来研究表明，通过提高W-Cu复合粉末成分均匀性并减小粉末粒度可显著缓解W和Cu的相溶性，进而提高液相烧结致密化。这方面的研究主要有高能球磨工艺和热化学工艺。传统的高能球磨工艺，可以减小粉末粒度、增加Cu在W中的固溶度，得到高致密度的单一成分W-Cu复合材料。本专利发明人在前阶段已申请并获得了一项国家发明专利“细晶钨铜复合材料的制备方法”(专利号：ZL200510031446.1)，该专利以可溶性钨盐、铜盐晶体为原料，采用溶胶喷雾干燥-煅烧还原工艺制备的超细/纳米W-Cu复合粉末，粉末纯度高、烧结致密化温度较常规W-Cu粉末明显降低，低温一步烧结后可得到高致密、细晶W-Cu复合材料。但这些方法制备的W-Cu复合材料由于成分不同导致不同铜含量的W-Cu复合粉末需要不同的烧结温度下达到全致密，这就使得采用纳米复合W-Cu粉末直接制备梯度材料过程时梯度材料烧结温度的选择存在难点，很难达到在一个温度下实现梯度材料近全致密度烧结。

发明内容

针对以上方法所制备的梯度W-Cu复合材料在材料性能和致密化方面存在的问题，本发明结合已有研究成果，采用纳米复合技术制备超细/纳米W-Cu复合粉末，通过控制W-Cu复合粉末的粒度、形貌来改变不同成分的W-Cu复合粉末的烧结活性，实现不同成分的W-Cu复合粉末在同一温度下烧结近全致密，进而采用分层铺粉压制和一步烧结制备晶粒细小、均匀、近全致密且梯度层各层结合完好的W-Cu梯度复合材料。本发明制备的纳米梯度复合W-Cu材料的致密度高达98.5％以上，合金组织细小均匀，层间结合性能好，材料性能沿厚度方向连续变化。

本发明为达到上述目的，采用的具体方案如下：

(1)采用溶胶-喷雾干燥-热还原技术、机械合金化技术、溶胶-凝胶技术中的一种或几种制备多种成分的W-Cu复合粉末，通过控制最终复合粉末的粒度、形貌，进而改变不同成分的W-Cu复合粉末的烧结活性，获得能在相同温度下烧结近全致密的不同成分的W-Cu复合粉末；

具体的，溶胶-喷雾干燥-热还原法制备具有同一致密化温度的纳米复合W-Cu粉末：铜含量在10-30wt.％的W-Cu复合粉末煅烧温度控制在400-500℃，还原温度控制在600-750℃，还原时间在1-2h；铜含量在30-40wt.％的W-Cu复合粉末煅烧温度控制在500-700℃，还原温度控制在750-850℃，还原时间在2-3h；铜含量在40-60wt.％的W-Cu复合粉末煅烧温度控制在700-800℃，还原温度控制在800-900℃，还原时间在3-4h。