CN117568646B - 基于骨架强化的高强韧W-Cu基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于骨架强化的高强韧W‑Cu基复合材料制备方法，步骤如下：一、制备W‑ZrB2复合粉末；二、冷等静压成形；三、骨架烧结；四、熔渗Cu，获得W‑Cu‑ZrB2块体复合材料。ZrB2在W相中的引入可抑制W晶粒粗化，改善组织结构均匀性，净化W晶界，提升W骨架结合强度和韧性，从而提升W‑Cu‑ZrB2复合材料整体的强度和韧性；且通过熔渗Cu可保持良好的网状连通结构，避免ZrB2在Cu相中分布导致导电、导热等物理性能降低，从而制备力学和物理性能均优异的W‑Cu‑ZrB2复合材料，满足军事、航空航天等高端领域对高性能难熔金属基复合材料的需求。
Description
技术领域
本发明属于W-Cu基复合材料制备技术领域，具体涉及一种基于骨架强化的高强韧W-Cu基复合材料的制备方法。
背景技术
以钨W元素、铜Cu为主组成的W-Cu基复合材料因同时兼备W的高强、高硬、耐高温、低热膨胀系数以及Cu优异的导电、导热等优良性能，被广泛应用于航空航天、军事、微电子等领域。由于W和Cu在熔点、密度等方面存在巨大差异以及润湿性差等问题，难以通过传统熔炼等方式制备，往往采用粉末冶金和熔渗的方式获得高致密块体材料。熔渗法需制备高连通度W骨架，通过毛细作用将Cu渗入到W骨架中，从而获得高致密度W-Cu两相材料。该方法熔渗的Cu网络结构具有良好的连通性，可保证材料具有良好的导电、导热等物理性能。然而，高温烧结过程中W晶粒粗化严重，导致材料微观组织均匀性变差；W-Cu假合金中相界面结合强度薄弱、W/W高连接度以及结合强度低等因素导致W-Cu基复合材料变形过程中强度较低、并表现出明显的脆断现象，这也限制了其在军事、国防等高端场合的广泛应用。
为了提高W-Cu基复合材料的力学性能，申请号为CN202011367842.2的中国发明专利申请《一种ZrC弥散强化钨铜复合材料的制备方法》(申请公开号为CN112391565A)公开了一种制备方法，其步骤为：称取W-Cu粉末、ZrC粉末、成型剂，以乙醇为溶剂进行球磨，通过干燥、过筛、压制、预烧、烧结等工序制备W-Cu-ZrC块体复合材料。该方法工序复杂，且ZrC在Cu相中的分布会导致材料的导电、导热等物理性能损失严重；此外，成型剂如硬脂酸的引入，处理不当容易与W反应生成硬脆相W2C，导致复合材料的综合性能降低。
为了提高W-Cu基复合材料的组织均匀性，申请号为CN201911395129.6的中国发明专利申请《一种高W量W-Cu复合材料的制备方法》(申请公开号为CN110976889A)公开了一种制备方法，其通过制备W粉末、W生坯冷成型、W坯烧结、熔渗Cu获得高W含量W-Cu复合材料。通过对粉末预处理，解决了熔渗样品组织结构均匀性差、残余空隙多等问题；然而烧结后的纯W骨架存在强度不足、脆性断裂等不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种基于骨架强化的高强韧W-Cu基复合材料的制备方法，以提高材料强度和韧性、解决材料结构均匀性差问题的同时，还能避免材料的导电、导热等物理性能损失严重。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于骨架强化的高强韧W-Cu基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
一、配料、混粉：称取W、ZrB2粉末进行球磨混合，获得物相分布均匀的W-ZrB2复合粉末；
二、成形：采用冷等静压成型获得压坯；
三、骨架烧结：采用真空烧结制备多孔W-ZrB2骨架；
四、熔渗：在氢气气氛保护下熔渗Cu，获得W-Cu-ZrB2块体复合材料。
本发明中，ZrB2在W相中的引入可抑制W晶粒粗化，改善组织结构均匀性，净化W晶界，提升W骨架结合强度和韧性，从而提升W-Cu-ZrB2复合材料整体的强度和韧性；且通过熔渗Cu可保持良好的网状连通结构，添加的ZrB2主要分布在W晶粒以及W/Cu相界面处，避免ZrB2在Cu相中分布导致导电、导热等物理性能降低，从而制备力学和物理性能均优异的W-Cu-ZrB2复合材料。
优选地，步骤一中，采用平均粒径为5μm的球形W粉，所述ZrB2粉末的粒径＜100nm。
优选地，步骤一中，ZrB2粉末的质量占W-ZrB2复合粉末的质量的0～1％。
优选地，步骤一中，球磨时间为4～6h，转速为120～200r/min，并采用硬质合金磨球，球料比为1:1～3。
进一步地，步骤二中，成型压力为150～180MPa，保压时间为60～120s。
进一步地，步骤三中，真空烧结温度为1700～2000℃，保温时间为1～3h。
优选地，步骤四中，熔渗温度为1200～1450℃，保温1～3h。
本发明中，通过步骤二冷等静压成型压力和保温时间、步骤三骨架烧结温度来调控孔隙率，经熔渗获得不同Cu含量的W-Cu-ZrB2块体复合材料。
优选地，所述W-Cu-ZrB2块体复合材料的致密度≥98％。
所述W-Cu-ZrB2块体复合材料中Cu含量优选为8～21wt％。
所述W-Cu-ZrB2块体复合材料的室温强度优选为1026～1137MPa。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中，ZrB2在W相中的引入可抑制W晶粒粗化，改善组织结构均匀性，净化W晶界，提升W骨架结合强度和韧性，从而提升W-Cu-ZrB2复合材料整体的强度和韧性；且通过熔渗Cu可保持良好的网状连通结构，避免ZrB2在Cu相中分布导致导电、导热等物理性能降低，从而制备力学和物理性能均优异的W-Cu-ZrB2复合材料，满足军事、航空航天等高端领域对高性能难熔金属基复合材料的需求。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明各实施例中的球形W粉采用等离子球化法自制，纯度≥99.99％、平均粒径为5～10μm。
各实施例均采用纯度≥99％、粒径为50～100nm的ZrB2粉末，且ZrB2粉末购于福斯曼科技(北京)有限公司。
实施例1：
W-Cu-0.3ZrB2的制备方法，步骤如下：
一、配料、混粉：称取球形W粉199.4g、纳米ZrB2粉末0.6g，磨球200g，转速为160r/min，球磨4h，进行球磨混合，获得物相分布均匀的W-ZrB2复合粉末；
二、成型：采用冷等静压成型技术，且压力设定为180MPa，保压120s获得压坯；
三、骨架烧结：采用真空烧结2000℃、保温1h，随炉冷却后得到孔隙率为16.4％的多孔W-ZrB2骨架；
四、熔渗：在氢气气氛保护、1450℃条件下熔渗Cu，保温时间为1h，获得Cu含量为8wt％的高致密度W-Cu-ZrB2块体复合材料。
实施例2：
W-Cu-0.6ZrB2的制备方法，包括以下步骤：
一、配料、混粉：称取球形W粉298.2g、纳米ZrB2粉末1.8g，磨球150g，转速为120r/min，球磨5h，进行球磨混合，获得物相分布均匀的W-ZrB2复合粉末；
二、成型：采用冷等静压成型技术，压力设定为170MPa，保压90s获得压坯；
三、骨架烧结：采用真空烧结1850℃、保温2h，随炉冷却后得到孔隙率为21.4％的多孔W-ZrB2骨架；
四、熔渗：在氢气气氛保护、1300℃条件下熔渗Cu，保温时间为2h，获得Cu含量为10wt％的高致密度W-Cu-ZrB2块体复合材料。
实施例3：
W-Cu-1ZrB2的制备方法，包括以下步骤：
一、配料、混粉：称取球形W粉594g、纳米ZrB2粉末6g，磨球200g，转速为200r/min，球磨6h，进行球磨混合，获得物相分布均匀的W-ZrB2复合粉末；
二、成型：采用冷等静压技术，压力设定为160MPa，保压60s获得压坯；
三、骨架烧结：采用真空烧结1800℃、保温2h，随炉冷却后得到孔隙率为30.3％的多孔W-ZrB2骨架；
四、熔渗：在氢气气氛保护、1200℃条件下熔渗Cu，保温时间为3h，获得Cu含量为15wt％的高致密度W-Cu-ZrB2块体复合材料。
实施例4：
W-Cu-0.5ZrB2的制备方法，包括以下步骤：
一、配料、混粉：称取球形W粉497.5g、纳米ZrB2粉末2.5g，磨球250g，转速为140r/min，球磨5h，进行球磨混合，获得物相分布均匀的W-ZrB2复合粉末；
二、成型：采用冷等静压技术，压力设定为170MPa，保压90s获得压坯；
三、骨架烧结：采用真空烧结1700℃保温3h，随炉冷却后得到孔隙率为39.8％的多孔W-ZrB2骨架；
四、熔渗：在氢气气氛保护、1300℃条件下熔渗Cu，保温时间为2h，获得Cu含量为21wt％的高致密度W-Cu-ZrB2块体复合材料。
对本发明实施例1～4制备的W-Cu-ZrB2块体复合材料进行物理及力学性能测试，结果如下表1：
表1各实施例性能参数
Claims (6)
1.一种基于骨架强化的高强韧W-Cu基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
一、配料、混粉：称取W、ZrB2粉末进行球磨混合，获得物相分布均匀的W-ZrB2复合粉末；
二、成形：采用冷等静压成型获得压坯；
三、骨架烧结：采用真空烧结制备多孔W-ZrB2骨架；
四、熔渗：在氢气气氛保护下熔渗Cu，获得W-Cu-ZrB2块体复合材料；
步骤一中，ZrB2粉末的质量占W-ZrB2复合粉末的质量的0.3~1%；
步骤二中，成型压力为150~180MPa，保压时间为60~120s；
步骤三中，真空烧结温度为1700~1950℃，保温时间为1~3h；
所述W-Cu-ZrB2块体复合材料中Cu含量为8～21wt%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一中，采用平均粒径为5~10μm的球形W粉，所述ZrB2粉末的粒径＜100nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一中，球磨时间为4~6h，转速为120~200r/min，并采用硬质合金磨球，球料比为1:1~3。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤四中，熔渗温度为1200~1450℃，保温1~3h。
5.根据权利要求1~4中任一权项所述的制备方法，其特征在于：所述W-Cu-ZrB2块体复合材料的致密度≥98%。
6.根据权利要求1~4中任一权项所述的制备方法，其特征在于：所述W-Cu-ZrB2块体复合材料的室温强度为1026~1137MPa。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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