CN110976889A - 一种高W量W-Cu复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高W量W‑Cu复合材料的制备方法,包括以下步骤:(1)W粉的制备;(2)选取W粉进行成型得W生坯;(3)将W生坯烧结制得多孔W骨架;(4)将多孔W骨架进行Cu熔渗,得高W量W‑Cu复合材料。该方法制备的W‑Cu复合材料的Cu含量为8~20wt%,致密度≥97%。本发明的有益效果:利用气流磨处理W粉的粒径分布窄、颗粒表面光滑、颗粒形状规则、烧结活性高、分散性好的特点,克服了熔渗法制备W‑Cu复合材料时组织不均匀、残余孔隙多的缺点,制备出了高质量的高W量W‑Cu复合材料。
Description
技术领域
本发明属于W-Cu复合材料技术领域,具体涉及一种高W量W-Cu复合材料的制备方法。
背景技术
W-Cu复合材料是一种典型的假合金,它结合了金属W的耐高温、耐磨损、高强度、高密度、低热膨胀系数及金属Cu优异的导热导电性能,被广泛应用在微电子、电力、航空航天、军工及医疗等领域。由于W和Cu在晶型、熔点、密度等方面巨大的差异,使得其相互之间润湿性较差,无法形成固溶体或金属间化合物,只能通过粉末冶金的方法制备。目前,复合粉末烧结法和熔渗法是制备W-Cu复合材料的常用方法。熔渗法是首先将W粉烧结制得多孔W骨架,进而使液态Cu与多孔W基体相接触,靠多孔W骨架中孔隙提供的毛细作用力将液态Cu通过连通孔隙吸引到整个W骨架中,从而形成两相W-Cu材料。熔渗法制备的W-Cu复合材料具有致密度高,导热导电性能好等优势,尤其是高W量的W-Cu复合材料(含铜量8~20wt%)只能通过熔渗法制备。
然而,商业W粉的颗粒形貌不规则、粒径分布较宽,且团聚较多。不规则W粉会由于高温烧结过程中的不均匀传质导致制备得到的多孔W骨架孔隙分布不均匀,并且粉体堆积成的孔道容易被小粉末颗粒堵塞,在烧结后形成闭孔,导致W-Cu复合材料中Cu分布不均匀,并且影响材料的致密度,进而影响材料的导热、导电及力学性能。而粒度均匀的球形或近球形粉末由于其各向同性的特点有利于形成规则堆积的坯体,骨架在烧结过程中不会产生不均匀的传质或不均匀传质较弱,有助于得到孔隙均匀贯通的多孔W骨架。例如,李宝强等人(Int.Journal of Refractory Metals and Hard Materials,59(2016),105-113)使用射频等离子球化的球形W粉来制备多孔W骨架,所得到的W骨架的孔隙分布均匀、连通度好。但是射频等离子球化工艺设备昂贵,且其工程化及实际应用尚有待时日。所以,开发出一种简单、成本低的制备组织均匀的W-Cu复合材料技术具有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高W量W-Cu复合材料的制备方法,解决了现有技术中存在的W-Cu复合材料制备方法复杂、成本高的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种高W量W-Cu复合材料的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、W粉的制备:采用流化床气流磨将W原料进行气流磨处理,得不同粒径的单分散、近球形、窄粒径分布、高烧结活性的W粉;
步骤2、选取W粉进行成型得W生坯;
步骤3、将W生坯烧结制得多孔W骨架;
步骤4、将多孔W骨架进行Cu熔渗,得高W量W-Cu复合材料。
本发明的特点还在于:
步骤2中的选取的W粉颗粒的D50为3~50μm,粒度分布离散度小于1。
步骤2中进行颗粒级配的粉末种类不少于2种,大尺寸颗粒与小尺寸颗粒的粒径比不小于3、质量比不小于5。
步骤2中W粉成型方法为模压或冷等静压。
步骤3中烧结温度为1400~1800℃,保温时间0.5~6h,气氛为高纯氢气,随炉冷却后获得多孔W骨架。
步骤3制得的多孔W骨架的孔隙率为15.8~38.0%,闭孔率不大于3%。
步骤4中熔渗温度为1150~1450℃,保温时间1~6h,熔渗过程中通入高纯氢气。
制备的高W量W-Cu复合材料的Cu含量为8~20wt%,致密度≥97%。
本发明的有益效果是:利用气流磨处理W粉的粒径分布窄、颗粒表面光滑、颗粒形状规则、烧结活性高、分散性好的特点,克服了熔渗法制备W-Cu复合材料时组织不均匀、残余孔隙多的缺点,制备出了高质量的高W量W-Cu复合材料。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种高W量W-Cu复合材料的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、W粉的制备:采用流化床气流磨将W进行气流磨处理,得不同粒径的单分散、近球形、窄粒径分布、高烧结活性的W粉;
步骤2、选取W粉制备W生坯:选取的W粉颗粒的D50为3~50μm,粒度分布离散度小于1,利用模压或冷等静压成型得W生坯;
其中,进行颗粒级配的粉末种类不少于2种,大尺寸颗粒与小尺寸颗粒的粒径比不小于3、质量比不小于5;
步骤3、将W生坯烧结制得多孔W骨架:将W生坯在温度为1400~1800℃下烧结,保温时间0.5~6h,气氛为高纯氢气,随炉冷却后获得多孔W骨架;
其中,多孔W骨架的孔隙率为15.8~38.0%,闭孔率不大于3%;
步骤4、将多孔W骨架进行Cu熔渗,熔渗温度为1150~1450℃,保温时间1~6h,熔渗过程中通入高纯氢气,得高W量W-Cu复合材料。
制备的W-Cu复合材料的Cu含量为8~20wt%,致密度≥97%。
实施例1
步骤1、W粉的制备:采用流化床气流磨将W进行气流磨处理,得不同粒径的单分散、近球形、窄粒径分布、高烧结活性的W粉;
步骤2、选取W粉制备W生坯:选取D50分别为12μm和3μm的W粉均匀混合,其质量比6,经模压成型得W生坯;
步骤3、将W生坯烧结制得多孔W骨架:将W生坯在温度为在1600℃氢气气氛下烧结3h,随炉冷却后得到孔隙率为30.5%、闭孔率为2.1%的多孔W骨架;
步骤4、将打磨洗净后的纯Cu块叠放到W骨架上方,然后放入氢气烧结炉中进行熔渗,熔渗温度为1250℃,保温2h,气氛为氢气,随炉冷却后得到Cu含量为15wt%的W-Cu复合材料。
实施例2
步骤1、W粉的制备:采用流化床气流磨将W进行气流磨处理,得不同粒径的单分散、近球形、窄粒径分布、高烧结活性的W粉;
步骤2、选取W粉制备W生坯:选取D50分别为5μm和50μm的W粉,其质量比12,经冷等静压成型得W生坯;
步骤3、将W生坯烧结制得多孔W骨架:将W生坯在温度为在1500℃氢气气氛下烧结3h,随炉冷却后得到孔隙率为28.4%、闭孔率为2.5%的多孔W骨架;
步骤4、将打磨洗净后的纯Cu块叠放到W骨架上方,然后放入氢气烧结炉中进行熔渗,熔渗温度为1280℃,保温4h,气氛为氢气,随炉冷却后得到Cu含量为14wt%的W-Cu复合材料。
实施例3
步骤1、W粉的制备:采用流化床气流磨将W进行气流磨处理,得不同粒径的单分散、近球形、窄粒径分布、高烧结活性的W粉;
步骤2、选取W粉制备W生坯:选取D50分别为15μm和5μm的W粉均匀混合,其质量比5,经模压成型得W生坯;
步骤3、将W生坯烧结制得多孔W骨架:将W生坯在温度为在1800℃氢气气氛下烧结0.5h,随炉冷却后得到孔隙率为21.8%、闭孔率为1.8%的多孔W骨架;
步骤4、将打磨洗净后的纯Cu块叠放到W骨架上方,然后放入氢气烧结炉中进行熔渗,熔渗温度为为1400℃,保温3h,气氛为氢气,随炉冷却后得到Cu含量为10wt%的W-Cu复合材料。
实施例4
步骤1、W粉的制备:采用流化床气流磨将W进行气流磨处理,得不同粒径的单分散、近球形、窄粒径分布、高烧结活性的W粉;
步骤2、选取W粉制备W生坯:选取D50分别为3μm和35μm的W粉均匀混合,其质量比10,经模压成型得W生坯;
步骤3、将W生坯烧结制得多孔W骨架:将W生坯在温度为在1400℃氢气气氛下烧结6h,随炉冷却后得到孔隙率为37.8%、闭孔率为2.3%的多孔W骨架;
步骤4、将打磨洗净后的纯Cu块叠放到W骨架上方,然后放入氢气烧结炉中进行熔渗,熔渗温度为为1150℃,保温6h,气氛为氢气,随炉冷却后得到Cu含量为20wt%的W-Cu复合材料。
实施例5
步骤1、W粉的制备:采用流化床气流磨将W进行气流磨处理,得不同粒径的单分散、近球形、窄粒径分布、高烧结活性的W粉;
步骤2、选取W粉制备W生坯:选取D50分别为15μm和50μm的W粉均匀混合,其质量比15,经模压成型得W生坯;
步骤3、将W生坯烧结制得多孔W骨架:将W生坯在温度为在1700℃氢气气氛下烧结4h,随炉冷却后得到孔隙率为16.0%、闭孔率为0.8%的多孔W骨架;
步骤4、将打磨洗净后的纯Cu块叠放到W骨架上方,然后放入氢气烧结炉中进行熔渗,熔渗温度为为1450℃,保温1h,气氛为氢气,随炉冷却后得到Cu含量为8wt%的W-Cu复合材料。
Claims (9)
1.一种高W量W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1、W粉的制备:采用流化床气流磨将W进行气流磨处理,得不同粒径的单分散、近球形、窄粒径分布、高烧结活性的W粉;
步骤2、选取W粉进行成型得W生坯;
步骤3、将W生坯烧结制得多孔W骨架;
步骤4、将多孔W骨架进行Cu熔渗,得高W量W-Cu复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种高W量W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤2中的选取的W粉颗粒的D50为3~50μm,粒度分布离散度小于1。
3.根据权利要求1所述的一种高W量W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤2中进行颗粒级配的粉末种类不少于2种,大尺寸颗粒与小尺寸颗粒的粒径比不小于3、质量比不小于5。
4.根据权利要求1所述的高W量W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤2中W粉成型方法为模压或冷等静压。
5.根据权利要求1所述的一种高W量W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤3中烧结温度为1400~1800℃,保温时间0.5~6h,气氛为高纯氢气,随炉冷却后获得多孔W骨架。
6.根据权利要求1所述的一种高W量W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤3中烧结温度为1400~1800℃,保温时间0.5~6h,气氛为高纯氢气,随炉冷却后获得多孔W骨架。
7.根据权利要求1所述的一种高W量W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤3制得的多孔W骨架的孔隙率为15.8~38.0%,闭孔率不大于3%。
8.根据权利要求1所述的一种高W量W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤4中熔渗温度为1150~1450℃,保温时间1~6h,熔渗过程中通入高纯氢气。
9.根据权利要求1~8任一所述的种高W量W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于,所制备的高W量W-Cu复合材料的Cu含量为8~20wt%,致密度≥97%。
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