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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GR01 | Patent grant | ||
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