CN107604188A - 一种制备梯度多孔钨的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备梯度多孔钨的方法，属于多孔材料制备技术领域。将高纯钨粉采用气流磨进行分散处理后，可将原始钨粉的团聚体打开，得到完全分散的钨粉，再经分级处理后，可获得不同粒径大小的窄粒度分布钨粉，通过选取处理后的不同粒度大小的钨粉进行搭配并采用铺粉‑压制‑烧结或叠层铺粉‑热压烧结可制备梯度多孔钨。该方法所制备的梯度多孔钨孔隙特性可控、各层孔径大小及分布均匀，孔隙连通度好。通过选取两种或多种不同粒度的粉末进行搭配可灵活控制最终梯度多孔钨制品的层数及各层的孔隙特性。

Description

一种制备梯度多孔钨的方法

技术领域

本发明属于多孔材料制备技术领域，提供了一种制备梯度多孔钨的方法。

背景技术

多孔材料具有许多优异的特性如低密度、高比表面、稳定性等，其孔隙部分可容纳大量客体分子或大尺寸的客体，使得多孔材料在催化剂、填充物、复合材料等许多技术领域均有重大应用。多孔钨作为多孔体或多孔基体制备的各种元器件在电力电子、航空航天及其他高温领域有广泛应用，如用于高电流密度的多孔阴极基体，高温流体的过滤器，火箭喷管的高温发热体等。多孔钨的开孔孔隙率、孔隙形状、孔径尺寸和孔隙分布的均匀性对多孔钨制品的性能及其制作的元器件性能均有重大影响。同时由于钨极高的熔点和高的硬度，钨材料主要用粉末冶金方法制备，采用粉末冶金方法制备材料性能很大程度上取决于原料粉末的性能。以阴极基体为例，钨粉的性能在很大程度上决定了基体的性能，选用球形度好，粒度分布窄的钨粉能更好控制多孔阴极基体内部的开孔孔隙率、孔径大小、孔隙分布的均匀程度以及孔隙的连通度等，是阴极获得高发射电流和长寿命的关键。对于粉末冶金烧结多孔钨，通过控制烧结温度和保温时间，可控制其孔隙率与孔径。对于同一种粉末制备得到的多孔钨，随着烧结温度的提高，孔隙率降低，孔径减小；而对于不同粒度大小的粉末，在同一烧结温度下得到的孔隙率及孔径大小不同。因此通过选取不同粒度大小钨粉及调整烧结工艺可控制其孔隙特性。

随着技术的进步，对于材料性能的要求也越来越高，对多孔钨孔隙特性的要求也从单一孔隙特性扩展到梯度多孔钨。对于阴极基体，一方面作为储存发射盐的部分需要高的孔隙率和较大的孔径，另一方面作为发射的表面则希望尽量多的孔密度和小的孔径；对于钨铜材料，热沉材料和电子封装材料是钨铜材料研究的重要方向，越来越多的研究表明高性能的梯度功能材料是该领域的重要发展方向。目前钨铜材料主要制备方法就是通过熔渗法，而获得高性能和良好结构的梯度多孔钨则是获得高性能钨铜材料的前提。现有制备多孔钨及功能梯度钨铜材料的方法主要有：中国专利(200910244509.X)利用电火花线切割方法、电火花腐蚀方法或离子轰击方法加工多孔金属(包含多孔钨)表面，其孔隙主要集中在表面。中国专利(201410077295.2)通过对钨块进行电解处理的方法制备多孔钨。中国专利(200410009297.4)将不同含量的钨粉和造孔剂混合均匀，主要是利用控制造孔剂的多少从而得到不同层不同体积分数的多孔钨，然后通过渗铜得到梯度功能钨铜材料。中国专利(00136770.6)提供了一种用作聚变堆耐高温等离子体冲刷偏滤器部件的W/Cu功能梯度材料，主要是采用通电快速烧结和等离子体喷涂技术制备而成。

上述方法制备梯度多孔钨对其孔隙特性的控制存在明显不足。因此，为了制备高附加值难熔金属钨材料有必要探索一种孔隙特性可控的、稳定的高性能梯度多孔钨的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种制备梯度多孔钨的方法，所制备的梯度多孔钨孔隙特性可控、各层孔径大小及分布均匀，孔隙连通度好。通过选取两种或多种不同粒度的粉末进行搭配可灵活控制最终梯度多孔钨制品的层数及各层的孔隙特性。

一种制备梯度多孔钨的方法，采用压制成形后烧结或热压烧结的方式制备多孔钨产品，具体步骤如下：

压制成形后烧结：

1)原料粉末：原料粉末为一种或几种不同粒度的市售钨粉，原料钨粉粒度为3～20μm，纯度大于99.9％；

2)气流磨分散处理：清洗气流磨设备，打开主控预热，充入纯度高于99.9％的高纯氮气为工作气，降低氧含量至0.1％，打开研磨阀，调节研磨压力为0.60～0.80MPa，加入高纯钨粉进入研磨腔研磨，使其团聚体打开，调节分选轮为最高转速6000r/min，启动分选轮；

3)气流磨分级处理：根据要求分多次降低分选轮转速至0r/min，并分批次收集钨粉；通过调节分选轮转速，可得到平均粒度1～20μm的窄粒度分布钨粉；

4)压制成形：选取3)收集到的两种或两种以上的钨粉进行多层铺粉并压制成形；

5)烧结：在纯度高于99.9％的高纯氢气为保护气氛下，将成形坯在1500～2200℃的温度下烧结60～240min，最终得到孔隙率为15％～30％、平均孔径大小为0.5～5μm的多孔钨。热压烧结：

1)原料粉末：原料粉末为一种或几种不同粒度的市售钨粉，纯度大于99.9％；

2)气流磨分散处理：清洗气流磨设备，打开主控预热，充入纯度高于99.9％的高纯氮气为工作气，降低氧含量至0.1％，打开研磨阀，调节研磨压力为0.60～0.80MPa，加入高纯钨粉进入研磨腔研磨，使其团聚体打开，调节分选轮为最高转速6000r/min，启动分选轮；

3)气流磨分级处理：根据要求分多次降低分选轮转速至0r/min，并分批次收集钨粉；通过调节分选轮转速，可得到平均粒度1～20μm的窄粒度分布钨粉；

4)热压烧结：选取3)收集到的两种或两种以上的钨粉进行叠层铺粉，在纯度高于99.9％的高纯氩气为保护气氛下，在1300～2000℃的温度及压力为50～200MPa下热压烧结30～120min，最终得到孔隙率为15％～30％、平均孔径大小为0.5～5μm的多孔钨。

本发明的优点在于：

1对于不同粒度粉末，通过不同烧结工艺烧结，经烧结后多孔钨制品的孔隙率和孔径不同，通过对粉末粒度、层数和烧结工艺的控制，可实现对所需梯度多孔钨各层孔隙率和孔径的控制；

2将钨粉进行分散、分级处理后，得到了完全分散的不同粒度大小的窄粒度分布钨粉；

3钨粉经处理后，得到的粉末颗粒棱角消失，形状呈规则或近球形，无团聚，粒度分布均匀，采用处理后的粉末制备烧结后得到的多孔钨制品可有效控制材料的孔径大小、孔隙分布、孔隙率以及孔隙的连通度等，避免出现由于粉末团聚而造成的孔隙分布不均、闭孔数量多以及孔隙连通性差等缺点，获得的多孔钨制品微观组织均匀；

4所制备的梯度多孔钨的孔隙变化是通过不同粒度粉末的烧结活性不同实现的，通过选取不同粒度的粉末进行搭配后烧结可灵活控制最终制品的孔隙特性。

附图说明

图1为本发明工艺流程图

图2为实施例3原始钨粉形貌

图3为实施例3气流磨处理后不同分选轮转速下收集的钨粉形貌：(a).3500r/min；(b).2800r/min；(c).1400r/min

图4为实施例3制备三层梯度多孔钨制品三层断口SEM图:(a).上层；(b).中间层；(c).下层

具体实施方式：

实施例1：

1)原料粉末：原料粉末为市售钨粉，粒度为5μm，纯度大于99.9％；

2)气流磨分散处理：清洗气流磨设备，打开主控预热，充入纯度高于99.9％的高纯氮气为工作气，降低氧含量至0.1％，打开研磨阀，调节研磨压力为0.70MPa，加入高纯钨粉进入研磨腔研磨，使其团聚体打开，调节分选轮转速为6000r/min，启动分选轮；

3)气流磨分级处理：分多次降低分选轮转速为5000r/min、4000r/min，3000r/min、2000r/min及1000r/min，分五批收集钨粉；

4)压制成形：选取在4000r/min、2000r/min及1000r/min收集的钨粉搭配进行三层铺粉并压制成形(三层)；

5)烧结：在纯度高于99.9％的高纯氢气为保护气氛下，将成形坯在1900℃的温度下烧结120min，得到三层开孔孔隙率分别为17％、22％和26％的梯度多孔钨。

实施例2：

1)原料粉末：原料粉末为市售钨粉，粒度为5μm，纯度大于99.9％；

2)气流磨分散处理：清洗气流磨设备，打开主控预热，充入纯度高于99.9％的高纯氮气为工作气，降低氧含量至0.1％，打开研磨阀，调节研磨压力为0.60～0.80MPa，加入高纯钨粉进入研磨腔研磨，使其团聚体打开，调节分选轮转速为6000r/min，启动分选轮；

3)气流磨分级处理：分多次降低分选轮转速为5000r/min、4000r/min、3000r/min、2000r/min及1000r/min，分五批收集钨粉；

4)热压烧结：选取在4000r/min、3000r/min、2000r/min及1000r/min收集钨粉进行搭配叠层铺粉(四层)，在纯度高于99.9％的高纯氩气为保护气氛下，在1700℃的温度及压力为80MPa下热压烧结90min，得到四层开孔孔隙率分别为18％、22％、24％和27％梯度多孔钨。

实施例3：

1)原料粉末：原料粉末为市售钨粉，粒度为8μm，纯度大于99.9％；

2)气流磨分散并去去除细粉：清洗气流磨设备，打开主控预热，充入纯度高于99.9％的高纯氮气为工作气，降低氧含量至0.1％，打开研磨阀，调节研磨压力为0.60～0.80MPa，加入高纯钨粉进入研磨腔研磨，使其团聚体打开，调节分选轮转速为6000r/min，启动分选轮；

3)气流磨分级处理：分多次降低分选轮转速为6000r/min、3500r/min、2800r/min、2100r/min及1000r/min，分五批收集钨粉；

4)热压烧结：选取3500r/min、2800r/min及2100r/min处理后的三种钨粉进行搭配叠层铺粉(三层)，在纯度高于99.9％的高纯氩气为保护气氛下，在1700℃的温度及压力为50Mpa下热压烧结90min，得到三层开孔孔隙率分别为23％、26％和30％梯度多孔钨。

实施例4：

1)原料粉末：原料粉末为市售钨粉，粒度为10μm，纯度大于99.9％；

2)气流磨分散处理：清洗气流磨设备，打开主控预热，充入纯度高于99.9％的高纯氮气为工作气，降低氧含量至0.1％，打开研磨阀，调节研磨压力为0.70MPa，加入高纯钨粉进入研磨腔研磨，使其团聚体打开，调节分选轮转速为6000r/min，启动分选轮；

3)气流磨分级处理：分多次降低分选轮转速为4200r/min、3000r/min、2100r/min及1000r/min，分四批收集钨粉；

4)压制成形：选取4200r/min、2100r/min、4200r/min收集的三种粒度钨粉搭配铺粉并压制成形(四层)；

5)烧结：在纯度高于99.9％的高纯氢气为保护气氛下，将成形坯在2000℃的温度下烧结180min，得到三层开孔孔隙率分别为20％、27％和20％梯度多孔钨，其中为中间层为大的开孔孔隙率和大孔径，两侧为小的开孔孔隙率和小孔径。

实施例5：

1)原料粉末：原料粉末为市售钨粉，粒度为20μm，纯度大于99.9％；

2)气流磨分散并去去除细粉：清洗气流磨设备，打开主控预热，充入纯度高于99.9％的高纯氮气为工作气，降低氧含量至0.1％，打开研磨阀，调节研磨压力为0.60～0.80MPa，加入高纯钨粉进入研磨腔研磨，使其团聚体打开，调节分选轮转速为6000r/min，启动分选轮；

3)气流磨分级处理：分多次降低分选轮转速为5000r/min、4000r/min、2000r/min、1000r/min及500r/min，分五批收集钨粉；

4)热压烧结：选取5000r/min、4000r/min、1000r/min、4000r/min及5000r/min收集的五种钨粉进行搭配叠层铺粉(五层)，在纯度高于99.9％的高纯氩气为保护气氛下，在1750℃的温度及压力为100MPa下热压烧结60min，得到五层开孔孔隙率分别为20％、23％、30％、23％和20％梯度多孔钨。

Claims (2)

1.一种制备梯度多孔钨的方法，其特征在于采用压制成形后烧结或热压烧结的方式制备多孔钨产品，所述压制成形后烧结具体步骤如下：

1)原料粉末：原料粉末为一种或几种不同粒度的市售钨粉，纯度大于99.9％；

2)气流磨分散处理：清洗气流磨设备，打开主控预热，充入纯度高于99.9％的高纯氮气为工作气，降低氧含量至0.1％，打开研磨阀，调节研磨压力为0.60～0.80MPa，加入高纯钨粉进入研磨腔研磨，使其团聚体打开，调节分选轮为最高转速6000r/min，启动分选轮；

3)气流磨分级处理：根据要求分多次降低分选轮转速至0r/min，并分批次收集钨粉；

4)压制成形：选取3)收集到的两种或两种以上的钨粉进行多层铺粉并压制成形；

5)烧结：在纯度高于99.9％的高纯氢气为保护气氛下，将成形坯在1500～2200℃的温度下烧结60～240min，最终得到孔隙率为15％～30％、平均孔径大小为0.5～5μm的多孔钨。

2.一种制备梯度多孔钨的方法，其特征在于采用压制成形后烧结或热压烧结的方式制备多孔钨产品，所述热压烧结的具体步骤如下：

1)原料粉末：原料粉末为一种或几种不同粒度的市售钨粉，纯度大于99.9％。