CN101524755A - 一种超细晶粒纯钼块体材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种超细晶粒纯钼块体材料的制备方法，属于高熔点金属和金属基热沉材料技术领域。其特征是先选择粒度小于10μm大于1μm的钼粉进行生坯的真空热压预烧，再将预烧的生坯置于一叶腊石模具中，放入压机对样品施加1－10GPa的压力，然后对样品两端施加的10－25kW交流电进行烧结，通电电流为1000A－3000A，通电时间为15秒－3分钟，通电烧结后，继续保压30秒－3分钟；烧结体经研磨抛光，相对密度为96－99.9％，晶粒尺寸要小于或等于所用原料的初始粉末粒度。预烧条件是压力为20－50MPa，真空度为10^－2－10^－3Pa，温度800－1000℃，时间30min－60min条件下进行。本发明制备得到的超细晶粒钼基块体材料有较好的力学性能和抗热冲击性，适于电子封装材料，热沉积材料，电触头材料以及耐高温等离子体冲刷部件，如核聚变装置中的偏滤器材料等。

Description

一种超细晶粒纯钼块体材料的制备方法

技术领域

本发明属于高熔点金属和金属基热沉材料技术领域，特别是提供了一种超细晶粒纯钼块体材料的制备方法。

背景技术

纯钼具有高熔点、高强度、高硬度和高耐磨性的优点，此外，它的热膨胀系数小、抗蚀性和抗氧化性能好以及导电导热性能好，因此在尖端科学领域、国防工业和民用工业中都已得到了非常广泛的应用。如用作陀螺转子及飞机上的配重和减震材料，在军工中用作穿甲弹和子母弹等，在医疗行业中用作防X射线屏蔽材料，在民用工业中用作手机上的高比重合金振子电极材料等。

根据钼基材料的各项特性，各种新的可能应用还在不断地研究和开发中，如在核聚变实验装置中做为面向等离子体材料；用作高速旋转和运动的固体密封件；各种仪器仪表中要求无磁、低膨胀、高弹性模量，防辐射屏蔽等特殊要求的零部件；在新一代集成电路中，由于布线越来越细，散热和耐温的需要都将扩大钼基板材的需求，此外金属封装也将向难熔材料发展。

随着应用领域的扩大，对钼基材料的质量和性能提出了更高的要求，包括高结构均匀性和高的热、电性能等。为了达到高的力学性能，采用超细和微晶难熔钼合金材料越来越成为难熔钼基合金及其复合材料的发展趋势。超细和微晶难熔钼合金材料可以大幅度地提高材料的力学性能。钼由于熔点较高，通常需要添加一定的助烧剂降低烧结温度，增加烧结密度，其结果是导致晶粒明显长大(K.S.Hwang，H.S.Huang，The liquid phase sintering of molybdenum with Ni and Cu additions，Materials Chemistry and Physics 67(2001)92-100)。同时由于超细粉末(特别是纳米级粉末)活性大，即便是采用无需添加助烧剂的新的纳米材料烧结技术，如等离子体活化烧结和热等静压法等，晶粒在烧结中也迅速长大，若不加以控制，很难获得超细晶的材料，通常需要添加晶粒长大抑制剂控制晶粒的长大(HiroakiKurishita，Satoru Matsuso，Hideo Arakawa，et al，Development ofNanostructured W and Mo Materials，Advanced Materials Research59(2009)18-30)。而这些助剂的添加往往会降低钼的热导率。要想实现在不添加任何助烧剂和晶粒长大抑制剂的情况下获得具有较高致密度的超细晶粒钼材料，就需要寻找新的烧结方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种晶粒度可控的超细晶粒纯钼材料的制备方法。强化钼基材料的烧结和缩短钼基材料的烧结时间，避免在烧结过程中可能发生的晶粒长大现象。

一种超细晶粒纯钼块体材料的制备方法，其工艺步骤为：

a、原料的准备：选择粒度＜10μm的钼粉，当钼粉粒度小于1μm时，需要对其预先采用喷雾干燥法进行造粒，以提高其成型性能；

b、生坯的预烧：将上述处理的钼粉装入石墨磨具，在压力为20-50MPa，真空度为10^-2-10^-3Pa，温度800-1000℃，时间30min-60min条件下进行真空热压预烧；

c、烧结：将预烧的生坯置于一叶腊石模具中，放入压机中；首先对样品施加1-10GPa的压力，压力是双向加压或六面加压；然后对样品两端施加10-25kW的交流电进行烧结，其中通电电流为1000A-3000A，通电时间为15秒-3分钟，通电烧结后，继续保压30秒-3分钟；烧结体经研磨抛光，相对密度为96-99.9％，晶粒尺寸要小于或等于所用原料的初始粉末粒度。

本发明的优点在于：通过真空预烧排出生坯中的气体，采用超高压力下通电烧结的方法制备晶粒度可控的钼基块体材料，施加超高压力以强化钼基材料的烧结和缩短钼基材料的烧结时间，避免在烧结过程中可能发生的晶粒长大现象，同时通过超高压力的改变，可以获得具有自增强效果的超细晶粒钼。施加高交流电使钼坯体通过自身电阻加热获得需要的烧结温度。制备得到的超细晶粒钼基块体材料有较好的力学性能和抗热冲击性，适于电子封装材料，热沉积材料，电触头材料以及耐高温等离子体冲刷部件，如核聚变装置中的偏滤器材料等。

与热压等相似方法相比，本发明所提供的方法在烧结参数、烧结机理和获得的烧结效果上有根本的区别，表现为：在烧结过程中对样品所施加的压力上，热压等方法最高只能达到几百MPa。而本发明在烧结过程对样品施加的压强在GPa级以上，即通常所说的超高压力；在加热方法上，热压、放电等离子体烧结等方法都需要通过发热体发热，通过辐射、传导等方式传递到样品，使样品获得一定温度，所以所需加热和烧结时间较长，所需烧结温度较高。而本发明中通过对施加了超高压力的样品直接通以大的交流电，使样品获得烧结，其时间只需要几分钟之短，在烧结机理和效果上与热压等方法有根本区别。同时通过真空预烧，在不发生致密化(即晶粒长大)的前提下，尽量排除坯体中的残余气体，避免坯体中残余气体在进行超高压烧结时由于超高压力的施加而产生不利影响。这种对真空预烧坯体进行超高压力施加下的通电烧结正是本发明的核心。使得采用本发明技术所获得的样品的晶粒尺寸基本与所用原始粉料的粒度保持一致，即所谓的晶粒尺寸可控。

具体实施方式

实施例1：钼的晶粒度为90nm的纯钼块体材料的制备。

将粒度为90nm的钼粉首先进行造粒，装入石墨磨具，在30MPa，在真空度10^-2Pa，温度800℃，时间30min条件下进行真空热压预烧。预烧的坯体经机加工成一定尺寸后放入叶腊石模具中，在8GPa，输入功率为23kW交流电作用下进行烧结，烧结时间为1分钟。所得样品经研磨抛光后，测得密度为9.85g/cm³，相对密度为96.5％，显微维氏硬度为765HV，抗弯强度为996MPa。

实施例2：钼的晶粒度为2μm的纯钼块体材料的制备。

将粒度为2μm的钼粉装入石墨磨具，在30MPa，在真空度10^-2Pa，温度1000℃，时间60min条件下进行真空热压预烧。预烧的坯体经机加工成一定尺寸后放入叶腊石模具中，在8GPa，输入功率为23kW交流电作用下进行烧结，烧结时间为1分钟。所得样品经研磨抛光后，测得密度为10.06g/cm³，相对密度为98.6％，显微维氏硬度为540HV，抗弯强度为571MPa

实施例3：钼的晶粒度为2μm的高强纯钼块体材料的制备。

将粒度为2μm的钼粉装入石墨磨具，在50MPa，在真空度10^-2Pa，温度1000℃，时间60min条件下进行真空热压预烧。预烧的坯体放入叶腊石模具中，在3GPa，输入功率为23kW交流电作用下进行烧结，烧结时间为1分钟。所得样品经研磨抛光后，测得密度为9.91g/cm³，相对密度为97.2％，显微维氏硬度为550HV，抗弯强度为1035MPa

实施例4：钼的晶粒度为5μm的纯钼块体材料的制备。

将粒度为5μm的钼粉在50MPa，在真空度10^-2Pa，温度1000℃，时间60min条件下进行真空热压预烧。预烧的坯体放入叶腊石模具中，在9GPa，输入功率为23kW交流电作用下进行烧结，烧结时间为1分钟。所得样品经研磨抛光后，测得密度为10.19g/cm³，相对密度为99.9％，显微维氏硬度为452HV，抗弯强度为485MPa。

Claims (1)

1.一种超细晶粒纯钼块体材料的制备方法，其特征是工艺步骤为：

a、原料的准备：选择粒度＜10μm的钼粉，当钼粉粒度小于1μm时，要对钼粉预先采用喷雾干燥法进行造粒；

b、生坯的预烧：将经上述处理的钼粉装入石墨磨具，在压力为20-50MPa，真空度为10^-2-10^-3Pa，温度800-1000℃，时间30min-60min条件下进行真空热压预烧；

c、烧结：将预烧的生坯置于一叶腊石模具中，放入压机中；首先对样品施加1-10GPa的压力，压力是双向加压或六面加压；然后对样品两端施加10-25kW的交流电进行烧结，其中通电电流为1000A-3000A，通电时间为15秒-3分钟，通电烧结后，继续保压30秒-3分钟；烧结体经研磨抛光，相对密度为96-99.9％，晶粒尺寸要小于或等于所用原料的初始粉末粒度。