CN102248160A

CN102248160A - 一种钨/铜梯度材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102248160A
Application number: CN2011101901069A
Authority: CN
Inventors: 郭世斌; 李江涛; 陈义祥; 麦培林; 赵培; 刘光华; 林志明; 杨筠
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: CN102248160B

Abstract

本发明公开了一种钨/铜梯度材料及其制备方法。该钨/铜梯度材料中钨的含量和铜的含量呈连续渐变分布，从一侧到另一侧钨的含量逐渐增多，铜的含量逐渐减少；该梯度材料致密化程度高、微观组织均匀、成分连续梯度分布、整体性能好。通过将W粉松装入石英坩埚底部；Al粉和Cu₂O粉混合，压坯，之后放入石英坩埚的W粉上方，置于超重力熔渗装置内，抽真空，超重力条件下，钨丝通电引发反应，得到钨/铜梯度材料；该制备方法工艺简单，成本低，效率高。

Description

一种钨/铜梯度材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料制备领域，特别涉及一种钨/铜梯度材料及在超重力场中直接以熔渗技术制备钨/铜梯度材料的方法。

背景技术

钨/铜梯度材料是将钨的高熔点、高强度和良好的抗蠕变性能，与铜的高热导、高电导和良好的塑性等性能相结合的一种成分呈连续梯度分布的复合材料，它在电子、国防和核能源行业有较大的应用前景。从1985年来，许多研究者已经采用其他的方法成功地验证了钨/铜梯度材料的优异性能，但由于钨和铜属于完全不固溶的假合金，将此二种性能相差悬殊的金属进行连续梯度且致密地结合是业内的难点。

钨/铜梯度材料的制备多是基于烧结技术，工艺路线有三种。第一种是采用逐层铺设不同成分比的钨铜粉，在低于铜熔点的温度下加压烧结得到钨/铜梯度材料；此方法存在成分不连续梯度分布的问题，同时还存在致密化程度低、微观组织不均匀、成分受限制等问题。第二种是采用热压焊接不同成分比的钨铜合金获得钨/铜梯度材料；此方法也存在成分不连续梯度分布的问题，同时按照该工艺制得的钨/铜梯度材料存在较多焊接界面，降低了钨/铜梯度材料的整体性能。第三种是采用预制梯度钨骨架再熔渗铜的方式获得钨/铜梯度材料；专利ZL200410009297.4公开了一种熔渗-焊接法制备钨/铜梯度材料的方法，先制备梯度孔隙钨骨架，之后渗铜得到钨铜梯度分布的过渡层，最后通过热压焊接将钨/铜梯度层和纯钨连接；此方法工艺复杂，存在成本高、效率低等问题。

随着现代科学技术的发展，电子、国防和核能源领域对钨/铜梯度材料的性能要求越来越高，既要求钨/铜梯度材料的成分呈连续梯度分布，以便获得更好的钨/铜梯度材料的整体性能，又要求工艺简单，能满足工业化生产的条件。因此，研究制备高性能的钨/铜梯度材料的技术与应用是钨/铜梯度材料当前和今后发展的一个重要方向。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种钨/铜梯度材料；该梯度材料致密化程度高、微观组织均匀、成分连续梯度分布、整体性能好。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种钨/铜梯度材料的制备方法；该制备方法工艺简单，成本低，效率高。

为解决上述技术问题，本发明提供一种钨/铜梯度材料，所述钨/铜梯度材料中钨的含量和铜的含量呈连续渐变分布，从一侧到另一侧钨的含量逐渐增多，铜的含量逐渐减少。

所述材料中铜呈网络状分布，钨、铜良好接触。

所述钨/铜梯度材料中，从一侧到另一侧，钨的含量分布从0到85wt％。

进一步地，本发明提供一种钨/铜梯度材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将Al粉和Cu₂O粉末按照铝和氧化亚铜取代反应式的摩尔配比混合，研磨，压坯，得到铝热剂压坯；

2)将W粉松装入坩埚的底部，在其上面加入步骤1)得到的铝热剂压坯；

3)将坩埚放入超重力熔渗装置内，抽真空，超重力条件下，钨丝通电引发反应，得到钨和铜含量呈连续渐变分布的钨/铜梯度材料。

进一步地，所述Al粉的纯度≥98.5％，粒径10～150μm；W粉的纯度≥99％，粒径2～25μm；Cu₂O粉末的纯度≥99％，粒径10～100μm。

优选地，所述Al粉和Cu₂O粉末混合后进行湿磨处理0.5～24小时，其中湿磨介质为无水乙醇；再放入80℃～100℃的烘箱中干燥不少于4小时；之后再压坯，这样有利于均匀混合。

所述压坯是将原料粉成型压制，可选用除石墨模具外的其他模具进行压制。

优选地，所述步骤1)的成坯是将Al粉和Cu₂O粉末的混合物放入钢模压坯成型，成型压力为15～40MPa，受压时间为5～20min。

W粉松装入坩埚的底部，是因为松装不仅是有利于铜的渗入，而且有利于钨粉连续分布；一般地，铝热剂压坯完全覆盖住钨粉，以获得更好的渗透效果。

优选地，所述坩埚是石英坩埚；它的耐高温性能和抗热震性能好，且热导率低，不引入其它杂质。

进一步地，所述步骤3)是在超重力熔渗装置的真空度不大于200Pa，超重力系数不小于500G的条件下保持5～20min。

进一步地，所述制备方法还包括步骤4)：将制得的钨/铜梯度材料再经切割、打磨、抛光处理。

反应过程中生成的氧化铝在将坩埚从超重力熔渗装置中取出后即自然分离，得到的钨铜梯度材料中没有氧化铝存在。

本申请中，使用的超重力熔渗装置选自专利号CN101269972B中提及的装置。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的梯度材料致密化程度高、微观组织均匀、成分连续渐变分布、整体性能好，可广泛应用于能源、电子信息、航空航天和核工业等领域；

2、本发明的制备方法工艺简单，成本低，效率高，适合工业生产；

3、本发明将燃烧合成技术与熔渗技术相结合，在超重力场中，通过熔体渗透的方式制备出了性能良好的钨/铜梯度材料；

4、本发明将超重力场和燃烧合成高温场耦合实现快速制备钨铜梯度材料，这种结合方式用于制备钨铜梯度材料尚属首次。

附图说明

图1为本发明铝热剂压坯和钨粉的位置关系示意图；

图2为本发明使用的超重力熔渗装置示意图；

图3为本发明实施例1制备的钨/铜梯度材料的照片；

图4为本发明实施例1制备的钨/铜梯度材料的成分分布特征图。

图5为本发明实施例1制备的钨/铜梯度材料图4B的局部放大扫描照片。

具体实施方式

实施例1

一种制备钨/铜梯度材料的方法，包括以下步骤：

采用的实验原料为：Al粉(纯度98.6％，100μm)、W粉(纯度99.5％，2.6～5μm)、Cu₂O粉末(纯度99％，45μm)。

按铝热剂(Al粉和Cu₂O粉末)的成分摩尔比n_Al∶n_Cu2O＝2∶3来调配铝热剂原料；之后以无水乙醇为介质在行星式球磨机上机械活化2小时，然后放进烘箱干燥12小时；将200g干燥后的原料装入圆柱形钢铁模具(Φ40mmx80mm)中成型，成型压力为15MPa，得到铝热剂压坯，其相对密度为50％。接着将铝热剂压坯放进装有10mm厚的松装钨粉的石英坩埚中，铝热剂压坯将松装钨粉整体压住(如图1所示)，然后将石英坩埚置于不锈钢反应器中，最后把装好原料的不锈钢反应器安装在图2所示的超重力熔铸装置中，选择真空度为200Pa、超重力系数为1000G的工艺参数，待旋转稳定后启动引燃电源加热钨丝使铝热剂反应，维持旋转状态10分钟后停机，自然冷却后取出，即得W成分从0～75wt％的连续梯度分布的钨/铜梯度材料。

对脱模后的试样取照片，得到图3，从图中可以看出制得的钨/铜梯度材料富铜面和富钨面的差别明显，整体无裂纹；其中实物尺寸为φ40×24mm。

在图4中，图片显示了钨和铜成分呈连续渐变分布的特征；其中，左边图片为钨/铜梯度材料的纵切面粗抛后放大10倍的光学照片，其上标明的钨成分的含量变化是通过沿离心力方向的选区EDS面扫描分析得到的钨和铜成分的平均值，见图4中的E、F、G、H中EDS谱测得的数据，通过统计数据得到钨的成分从0～75wt％；中间A、B、C、D四个图为钨/铜梯度材料纵切面精抛后放大100倍、沿着离心力方向从上到下依次选区的扫描照片，右边E、F、G、H四个图分别是A、B、C、D四个图的EDS谱图；结合图A、B、C、D和图E、F、G、H，可以看出图A中钨含量为0，铜含量为100wt％；图B中钨的含量为66wt％，铜的含量为34wt％；图C中钨的含量为71wt％，铜的含量为29wt％；图D中钨的含量为75wt％，铜的含量为25wt％。

从图5中，可以看出钨被网络状的铜完全包裹住，钨和铜良好接触，无大尺寸闭气孔。

实施例2

一种制备钨/铜梯度材料的方法，包括以下步骤：

采用的实验原料为：Al粉(纯度99.0％，10μm)、W粉(纯度99.7％，2μm)、Cu₂O粉末(纯度99.2％，10μm)。

按铝热剂(Al粉和Cu₂O粉末)的成分摩尔比n_Al∶n_Cu2O＝2∶3来调配铝热剂原料；之后以无水乙醇为介质在行星式球磨机上机械活化0.5小时，然后放进80℃的烘箱干燥10小时；将250g干燥后的原料装入圆柱形钢铁模具(Φ40mmx80mm)中成型，成型压力为15MPa，受压5min，得到铝热剂压坯。接着将铝热剂压坯放进装有10mm厚的松装钨粉的石英坩埚中，铝热剂压坯将松装钨粉整体压住，然后将石英坩埚置于不锈钢反应器中，最后把装好原料的不锈钢反应器安装在超重力熔铸装置上，选择真空度为100Pa、超重力系数为1500G的工艺参数，待旋转稳定后启动引燃电源加热钨丝使铝热剂反应，维持旋转状态5分钟后停机，自然冷却后取出，经切割、打磨、抛光处理，即得W成分从0～85wt％的连续梯度分布的钨/铜梯度材料。

实施例3

一种制备钨/铜梯度材料的方法，包括以下步骤：

采用的实验原料为：Al粉(纯度98.6％，150μm)、W粉(纯度99.5％，25μm)、Cu₂O粉末(纯度99.6％，100μm)。

按铝热剂(Al粉和Cu₂O粉末)的成分摩尔比n_Al∶n_Cu2O＝2∶3来调配铝热剂原料；之后以无水乙醇为介质在行星式球磨机上机械活化24小时，然后放进100℃的烘箱干燥10小时；将干燥后的100g原料装入圆柱形钢铁模具(Φ40mmx80mm)中成型，成型压力为40MPa，受压20min，得到铝热剂压坯。接着将铝热剂压坯放进装有10mm厚的松装钨粉的石英坩埚中，铝热剂压坯将松装钨粉整体压住，然后将石英坩埚置于不锈钢反应器中，最后把装好原料的不锈钢反应器安装在超重力熔铸装置上，选择真空度为200Pa、超重力系数为500G的工艺参数，待旋转稳定后启动引燃电源加热钨丝使铝热剂反应，维持旋转状态20分钟后停机，自然冷却后取出，经切割、打磨、抛光处理，即得钨/铜梯度材料。

实施例4

一种制备钨/铜梯度材料的方法，包括以下步骤：

采用的实验原料为：Al粉(纯度98.6％，80μm)、W粉(纯度99.5％，12μm)、Cu₂O粉末(纯度99％，50μm)。

按铝热剂(Al粉和Cu₂O粉末)的成分摩尔比n_Al∶n_Cu2O＝2∶3来调配铝热剂原料；研磨，压坯，得到铝热剂压坯。接着将200g铝热剂压坯放进装有10mm厚的松装钨粉的坩埚中，铝热剂压坯将松装钨粉整体压住，然后将坩埚置于不锈钢反应器中，最后把装好原料的不锈钢反应器安装在超重力熔铸装置上，选择真空度为200Pa、超重力系数为1500G的工艺参数，待旋转稳定后启动引燃电源加热钨丝使铝热剂反应，维持旋转状态20分钟后停机，自然冷却后取出，经切割、打磨、抛光处理，即得钨/铜梯度材料。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种钨/铜梯度材料，其特征在于，所述钨/铜梯度材料中钨的含量和铜的含量呈连续渐变分布，从一侧到另一侧钨的含量逐渐增多，铜的含量逐渐减少。

2.根据权利要求1所述的一种钨/铜梯度材料，其特征在于，所述材料中铜呈网络状分布，钨、铜良好接触。

3.根据权利要求1所述的一种钨/铜梯度材料，其特征在于，所述钨/铜梯度材料中，从一侧到另一侧，钨的含量分布从0到85wt％。

4.如权利要求1所述的一种钨/铜梯度材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种钨/铜梯度材料的制备方法，其特征在于，所述Al粉的纯度≥98.5％，粒径10～150μm；W粉的纯度≥99％，粒径2～25μm；Cu₂O粉末的纯度≥99％，粒径10～100μm。

6.根据权利要求4所述的一种钨/铜梯度材料的制备方法，其特征在于，所述Al粉和Cu₂O粉末混合后进行湿磨处理0.5～24小时；所述湿磨处理的湿磨介质为无水乙醇。

7.根据权利要求4所述的一种钨/铜梯度材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)压坯是将Al粉和Cu₂O粉末的混合物放入钢模压坯成型，成型压力为15～40MPa，受压时间为5～20min。

8.根据权利要求4所述的一种钨/铜梯度材料的制备方法，其特征在于，所述坩埚是石英坩埚。

9.根据权利要求4所述的一种钨/铜梯度材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)是在超重力熔渗装置的真空度200Pa以下，超重力系数500G以上的条件下保持5～20min。

10.根据权利要求4所述的一种钨/铜梯度材料的制备方法，其特征在于，所述步骤还包括步骤4)：将制得的钨/铜梯度材料再经切割、打磨、抛光处理。