CN108515174B - 一种抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗高温氧化W‑Cr‑Ti复合材料及其制备方法，其中抗高温氧化W‑Cr‑Ti复合材料的掺杂原料为W‑12Cr合金粉与W‑5Ti合金粉，其中各组分按摩尔百分比构成为：W‑12Cr 70‑90％，W‑5Ti 10‑30％。本发明W‑Cr‑Ti复合材料显著提高了钨基材料的抗高温氧化性能，氧化15小时后，增重率仅为纯钨材料的1/3‑1/5。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属复合材料及其制备方法，具体地说是一种抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料及其制备方法。
背景技术
研究发展具有高强韧、抗烧蚀的新型超高温材料对制造高超音速飞行器具有重要意义。难熔金属钨具有熔点高(3410℃)、热膨胀系数低、抗高热冲击等优点，被认为适应于航空航天的最佳候选材料之一。但现有涂层及制备方法无法满足临近空间耐高温、长时间抗烧蚀、抗高温氧化的要求。因此开发具有自钝化功能的智能合金是国内外研究人员的研究重点。Cr 元素掺杂W基合金，在氧化过程中可以优先氧化形成致密氧化层Cr2O3，但长期暴露于高温氧化环境中Cr2O3氧化层难以保持稳定，无法维持长期的钝化。因此向W-Cr二元合金体系中加入其他活性元素，提高合金的抗氧化性能。
目前，研究报道较多的是将W、Cr、Ti等金属粉末进行长时间机械球磨进行合金化。然而采用W-Ti预合金粉掺杂W-Cr合金的方法未见报道。制得的W-Cr-Ti合金可以显著提高W合金的抗氧化性能。
发明内容
本发明旨在提供一种抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料及其制备方法，所要解决的技术问题是通过掺杂元素的筛选以及制备工艺的优化以提高W-Cr二元合金材料的抗高温氧化性能。
本发明抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料，其掺杂原料为W-12wt.％Cr(后文简略为W-12Cr) 合金粉与W-5wt.％Ti(后文简略为W-5Ti)合金粉，其中各组分按摩尔百分比构成为：W-12Cr 70-90％，W-5Ti 10-30％。
本发明抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：混粉
将W-12Cr合金粉与W-5Ti合金粉按配比量混合，置于混料罐中混合均匀，得到W-Cr-Ti 双相复合粉末；
原始粉末粒度为：W-5Ti合金粉颗粒平均尺寸为4微米，W-12Cr合金粉颗粒平均尺寸为 5.2微米。
步骤1中，混料罐中装填三分之一体积的粉料，设定混粉机转速400r/min，时间为2h。
步骤2：烧结
将步骤1获得的W-Cr-Ti双相复合粉末装入石墨模具，再将模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空，升温至1500℃并保温3分钟，保温结束后降至室温，即得到W-Cr-Ti复合材料。
步骤2中，烧结过程中保持炉腔真空度，真空度为2-10Pa，烧结中控制压强为50MPa。
步骤2中，烧结过程升温速率为100℃/min，降温速率为100℃/min。
本发明W-Cr-Ti复合材料中，Cr、Ti元素以化合物的形式存在于钨基合金中，一方面，阻止了在制备过程中Cr、Ti元素的氧化，另一方面，避免了在烧结块体中出现Cr、Ti元素富集区域。
本发明的有益效果体现在：
与传统的制备方法长时间机械球磨相比，添加钨基预合金粉末快速烧结的方法减少了机械球磨形成的某些严重影响材料抗氧化性能的富集相，如富W相或富Cr-Ti相；避免了机械球磨引入杂质元素，如O元素、C元素；提高了生产效率，可以实现大规模工业化生产。与目前研究较多的W-Cr二元合金相比，在W-Cr-Ti烧结块体中，体心立方的W-Cr相与简单立方的W-Ti相在快速烧结后构成双相结构。在高温氧化过程中，由于氧离子在W-Cr相和W-Ti相中的扩散速度不同，双相的存在有效地抑制氧离子的内扩散，显著降低了材料的内氧化速度，提高钨基合金的抗氧化性能。此外，部分W-Cr相与W-Ti相在烧结过程中发生互扩散，形成了W-Cr-Ti三元合金相。氧化过程中，W、Cr、Ti元素氧化形成了氧化物W-Cr-O和W-Ti-O，提高了合金基体与氧化层Cr2O3的结合能力，并且减少了氧化层中裂纹的产生，显著提高了氧化层的稳定性，从而提高了钨基合金的抗氧化性能。并且在W-5Ti与W-12Cr双相的协同作用下，显著提高了钨基材料的抗高温氧化性能，氧化15小时后，增重率仅为纯钨材料的 1/3-1/5。
附图说明
图1是(W-5Ti)0.1(W-12Cr)0.9合金烧结态显微形貌图像。
图2是(W-5Ti)0.2(W-12Cr)0.8合金烧结态显微形貌图像。
图3是(W-5Ti)0.3(W-12Cr)0.7合金烧结态显微形貌图像。
图4是氧化10分钟后，W-Cr-Ti合金氧化层截面形貌图像，图4a为(W-5Ti)0.1(W-12Cr)0.9氧化层截面形貌，图4b为(W-5Ti)0.2(W-12Cr)0.8合金氧化层截面形貌，图4c为 (W-5Ti)0.3(W-12Cr)0.7合金氧化层截面形貌。
图5是氧化15小时氧化动力学曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1：
本实施例中抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料，其掺杂原料为W-12Cr合金粉与W-5Ti合金粉，其中各组分按摩尔百分比构成为：W-12Cr 90％，W-5Ti 10％。
原始粉末粒度为：W-12Cr合金粉颗粒尺寸为5.2微米，W-5Ti合金粉颗粒尺寸为4微米。
本实施例中抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1、制粉：将W-12Cr合金粉与W-5Ti合金粉按配比量混合，在400转/分钟的混粉机中搅拌2小时，得到W-Cr-Ti双相复合粉末；
2、烧结：将W-Cr-Ti双相复合粉末装入石墨模具，再将模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空，升温至1500℃保温3min，烧结过程中保持炉腔真空度，真空度为 3Pa烧结中控制压强为50MPa，保温结束后降至室温，即得到W-Cr-Ti复合材料。
烧结过程中，升温速率为100℃/min，降温速率为100℃/min。
烧结后的复合材料第二相分布均匀，氧化过程中氧化层相对致密，具有较高的抗高温氧化性能，氧化15小时后，增重率仅为纯钨材料的1/3。
实施例2：
本实施例中抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料，其掺杂原料为W-12Cr合金粉与W-5Ti合金粉，其中各组分按摩尔百分比构成为：W-12Cr 80％，W-5Ti 20％。
原始粉末粒度为：W-12Cr合金粉颗粒尺寸为5.2微米，W-5Ti合金粉颗粒尺寸为4微米。
本实施例中抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1、制粉：将W-12Cr合金粉与W-5Ti合金粉按配比量混合，在400转/分钟的混粉机中搅拌2小时，得到W-Cr-Ti双相复合粉末；
2、烧结：将W-Cr-Ti双相复合粉末装入石墨模具，再将模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空，升温至1500℃保温3min，烧结过程中保持炉腔真空度，真空度为 5Pa，烧结中控制压强为50MPa，保温结束后降至室温，即得到W-Cr-Ti复合材料。
烧结过程中，升温速率为100℃/min，降温速率为100℃/min。
烧结后的复合材料第二相分布均匀，氧化过程中氧化层相对致密，具有较高的抗高温氧化性能，氧化15小时后，增重率仅为纯钨材料的1/5。
实施例3：
本实施例中抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料，其掺杂原料为W-12Cr合金粉与W-5Ti合金粉，其中各组分按摩尔百分比构成为：W-12Cr 70％，W-5Ti 30％。
原始粉末粒度为：W-12Cr合金粉颗粒尺寸为5.2微米，W-5Ti合金粉颗粒尺寸为4微米。
本实施例中抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1、制粉：将W-12Cr合金粉与W-5Ti合金粉按配比量混合，在400转/分钟的混粉机中搅拌2小时，得到W-Cr-Ti双相复合粉末；
2、烧结：将W-Cr-Ti双相复合粉末装入石墨模具，再将模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空，升温至1500℃保温3min，烧结过程中保持炉腔真空度，真空度为 4Pa，烧结中控制压强为50MPa，保温结束后降至室温，即得到W-Cr-Ti复合材料。
烧结过程中，升温速率为100℃/min，降温速率为100℃/min。
烧结后的复合材料第二相分布均匀，氧化过程中氧化层相对致密，具有较高的抗高温氧化性能，氧化15小时后，增重率仅为纯钨材料的1/3。
烧结后的复合材料形貌如图1、图2、图3所示，第二相分布均匀，从显微形貌上来看材料的空隙较少，相对致密。对商业钨，W-Cr-Ti合金进行1000摄氏度15小时循环氧化实验。氧化气氛：20vol.％O2，80vol.％N2。为了分析氧化机理，氧化10分钟后，观察样品氧化层界面如图4所示，(W-5Ti)0.1(W-12Cr)0.9合金的氧化层厚度约为1.2μm，(W-5Ti)0.1(W-12Cr)0.9合金的氧化层厚度约为1μm，(W-5Ti)0.3(W-12Cr)0.7合金的氧化层厚度约为1.1μm。氧化15小时候氧化动力学曲线如图5所示，W-Cr-Ti合金具有优异的抗高温氧化能力，15小时氧化增重远低于商业纯钨。
Claims (4)
1.一种抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料，其特征在于：
所述抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料的掺杂原料为W-12Cr合金粉与W-5Ti合金粉，其中各组分按摩尔百分比构成为：W-12Cr 70-90％，W-5Ti 10-30％；
所述抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料是通过包括如下步骤的方法制备获得：
步骤1：混粉
将W-12Cr合金粉与W-5Ti合金粉按配比量混合，置于混料罐中混合均匀，得到W-Cr-Ti双相复合粉末；原始粉末粒度为：W-5Ti合金粉颗粒平均尺寸为4微米，W-12Cr合金粉颗粒平均尺寸为5.2微米；其中W-12Cr合金粉是W-12wt.％Cr合金粉的简称，W-5Ti合金粉是W-5wt.％Ti合金粉的简称；
步骤2：烧结
将步骤1获得的W-Cr-Ti双相复合粉末装入石墨模具，再将模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空，升温至1500℃并保温3分钟，保温结束后降至室温，即得到W-Cr-Ti复合材料。
2.根据权利要求1所述的抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料，其特征在于：
步骤1中，混料罐中装填三分之一体积的粉料，设定混粉机转速400r/min，时间为2h。
3.根据权利要求1所述的抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料，其特征在于：
步骤2中，烧结过程中保持炉腔真空度，真空度为2-10Pa，烧结中控制压强为50MPa。
4.根据权利要求1所述的抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料，其特征在于：
步骤2中，烧结过程升温速率为100℃/min，降温速率为100℃/min。
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| GR01 | Patent grant | ||
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