CN1445377A

CN1445377A - 一种复合碳化物颗粒增强钨基复合材料

Info

Publication number: CN1445377A
Application number: CN 02107639
Authority: CN
Inventors: 周玉; 宋桂明; 王玉金
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-10-01

Abstract

本发明提出一种复合碳化物颗粒增强钨基复合材料，具体地说是将复合碳化物作为增强体与金属钨做为基体的钨基复合材料，以提高钨的室温和高温力学性能，并改善钨的抗氧化性能和耐烧蚀性能。复合碳化物为4TaC·ZrC或4TaC·HfC，也可以是TiC、NbC、TaC、HfC等两种、三种或四种碳化物的混合物粉末，还可以是ZrC、NbC、TaC、HfC等两种、三种或四种碳化物的混合物粉末。钨基复合材料中复合碳化物颗粒的体积含量为10～60％，实现本发明可采用：无压烧结、热压烧结、热等静压烧结或气压烧结中的一种，烧结温度为1900～2300℃，烧结气氛为氢气、氩气、氮气或真空。

Description

一种复合碳化物颗粒增强钨基复合材料

技术领域：

本发明提出一种复合碳化物颗粒增强钨基复合材料。

背景技术：

金属基复合材料越来越受到人们的广泛重视，其增强体一般为颗粒、晶须(或短纤维)和纤维。金属基复合材料较其基体合金而言，具有高的比强度、比刚度、较高的高温强度。其制备方法主要有粉末冶金烧结法(包括无压烧结、热压烧结和热等静压烧结)、铸造法(包括搅拌铸造、热挤压铸造和喷射成型等)。金属基复合材料是近二十多年来国内外研究的热点材料，其优异的力学性能和较好的热物理性能，促使人们不断发展新材料。对于金属钨，由于其高的熔点(约为3410℃)和高的高温力学性能而在高温环境下得到广泛应用。但钨的强度会随温度的升高而显著下降，并且在一些特殊高温环境中，要求材料有良好的高温强度、耐烧蚀性能、抗氧化性能和低的热导率，因而单一金属钨构件难以应用于这些环境下。

发明内容：

本发明的要点是用复合碳化物颗粒作为钨的增强体，加入到钨基体中，形成复合碳化物颗粒增强钨基复合材料，其中钨为基体。在复合材料中，碳化物的体积分数为10～60％，最佳值为15～35％。作为基体钨，可采用纯钨粉，纯度最好在99％以上，其粒径为2～10μm，最好为3～8μm；也可以用搀杂钨粉作为钨基体，搀杂物可以是Na、K等元素；另外可以在钨中加入少量的ThO₂、HfC、Y₂O₃等弥散颗粒，对钨形成弥散强化，这些弥散颗粒的重量百分比约为0.2～2％。在钨中加入少量合金元素Re或Mo，形成合金化强化，用于提高钨的高温强度，这些合金元素的加入量约为0.5～5％(重量百分比)。增强颗粒碳化物的纯度一般在98％以上为最好，颗粒粒径为0.1～10μm，最好为0.1～5μm。如4TaC·ZrC、4TaC·HfC、HfC、TiC、ZrC、TaC、NbC等碳化物的纯度最好在98％以上。本发明的步骤是：1.选择复合碳化物增强体，如4TaC·ZrC或4TaC·HfC，也可以是TiC、NbC、TaC、HfC等两种、三种或四种碳化物的混合物粉末，还可以是ZrC、NbC、TaC、HfC等两种、三种或四种碳化物的混合物粉末。2.确定钨基复合材料中复合碳化物的体积分数，在10～60％。3.将复合碳化物粉末与钨粉混合均匀，混合方式为湿混，混合介质为乙醇、丙酮等，可以加入钢球或陶瓷球(氧化铝球或氧化锆球等)以提高混合效率，将混合粉末和混合介质放于塑料筒中或钢筒中进行混合，混合时间为2～36小时；4.混合后再在烘干箱中烘干，同时蒸发掉乙醇或丙酮的混合介质，并除去钢球或陶瓷球等；5.将混合均匀的粉末，先在室温下冷压成型，而后热压烧结，也可不经冷压成型直接热压烧结，烧结温度为1900℃～2300℃，加压方式为单向或双向加压，施加压力为15～45MPa，烧结保温时间为0.5～5小时，烧结气氛为氢气、氩气、氮气或真空。在以上步骤中也可以将复合碳化物粉末与钨粉混合均匀，混合方式为干混，混合时间为8～36小时。可以加入钢球或陶瓷球以提高混合效率。烧结工艺也可采用将混合均匀的粉末冷压成型，无压烧结。烧结温度为1900～2300℃，烧结保温时间为1～10小时。烧结气氛为氢气、氩气、氮气或真空。将混合均匀的粉末冷等静压，再经热等静压烧结。烧结温度为1900℃～2300℃，烧结保温时间为0.5～5小时，烧结压力为20～200MPa。烧结气氛为氢气、氩气、氮气或真空。也可采用无压烧结或气压烧结。气压烧结时的气体介质可以是氢气、氩气或氮气。本发明按以下步骤实现：

(1)将复合碳化物4TaC·ZrC粉末或者4TaC·HfC粉末与钨粉混合均匀，混合方式为湿混，混合介质为乙醇、丙酮，加入钢球或陶瓷球做混料球，也可不加入混料球，将混合粉末和混合介质放于钢筒中或塑料筒中进行混合，混合时间为2～36小时；

(2)确定复合碳化物颗粒在钨基复合材料中所占的体积分数为10～60％；

(3)混合后再在烘干箱中烘干，同时蒸发掉乙醇或丙酮的混合介质，并除去钢球或陶瓷球；

(4)将混合均匀的粉末，先在室温下冷压成型，而后热压烧结，也可不经冷压成型直接热压烧结，烧结温度为1900℃～2300℃，加压方式为单向或双向加压，施加压力为15～45MPa，烧结保温时间为0.5～5小时，烧结气氛为氢气、氩气、氮气或真空；

步骤(1)中复合碳化物颗粒可以是TiC、NbC、TaC、HfC等两种、三种或四种碳化物的混合物粉末，还可以是ZrC、NbC、TaC、HfC等两种、三种或四种碳化物的混合物粉末。步骤(1)中混合方式可为干混，混合时间为8～36小时。步骤(4)中可采用冷压成型，无压烧结，烧结温度为1900～2300℃，烧结保温时间为1～10小时，烧结气氛为氢气、氩气、氮气或真空；还可以将混合均匀的粉末冷等静压，再经热等静压烧结，烧结温度为1900℃～2300℃，烧结保温时间为0.5～5小时，烧结压力为20～200MPa，烧结气氛为氢气、氩气、氮气或真空，也可采用无压烧结或气压烧结，气压烧结时的气体介质可以是氢气、氩气或氮气。

本发明可以用于制作弱氧化性气氛下短时间工作的超高温环境下的一些零部件，也可以用于制造还原气氛下或真空下高温环境中使用的一些零部件，如高温模具、夹具等。

具体实施方式：

实施例1：

将粒径约为2～3μm、纯度98％以上的复合碳化物4TaC·ZrC粉末与平均粒径约为3.5μm、纯度99％以上的钨粉按体积百分比：4TaC·HfC∶W＝30∶70进行干混，加入钢球作球磨介质。混合24小时后取出混合料，放入石墨模具中，在真空炉中直接进行热压烧结，制得复合碳化物颗粒体积分数为30％的钨基复合材料。烧结工艺为：2100℃时保温1小时，单向热压压力为20MPa，真空度为1.3×10^-2Pa。复合材料的致密度为90～95％。室温下的三点弯曲法测试的抗弯强度为700MPa左右，用单边切口梁法测试的断裂韧性为9MPa·m^1/2，复合材料在1000℃时的三点弯曲抗弯强度约为800MPa。在1200℃时的拉伸强度大于300MPa。

实施例2：

将平均粒径约为2～3μm、纯度98％以上的复合碳化物4TaC·HfC与平均粒径约为3.5μm、纯度99％以上的钨粉按体积百分比：4TaC·HfC∶W＝30∶70进行干混，加入钢球作球磨介质。混合24小时后取出混合料，放入石墨模具中，在真空炉中直接进行热压烧结，制得复合碳化物颗粒体积分数为30％的钨基复合材料。烧结工艺为：2100℃时保温1小时，单向热压压力为20MPa，真空度为1.3×10^-2Pa。复合材料的致密度为90～95％。室温下的三点弯曲法测试的抗弯强度为700MPa左右，用单边切口梁法测试的断裂韧性为9MPa·m^1/2，复合材料在1000℃时的三点弯曲抗弯强度约为800MPa。在1200℃时的拉伸强度大于300MPa。

实施例3：

将平均粒径约为2～4μm、纯度99％以上的碳化锆和碳化钽粉末与平均粒径约为3.5μm、纯度99％以上的钨粉按体积百分比：ZrC∶TaC∶W＝20∶10∶70进行湿混，加入氧化锆球作球磨介质，乙醇做分散剂。混合10小时后取出混合料，烘干后放入石墨模具中，在真空炉中直接进行热压烧结，制得复合碳化物颗粒体积分数为30％的钨基复合材料。烧结工艺为：2000℃时保温1.5小时，单向热压压力为25MPa，真空度为1.3×10^-2Pa。复合材料的致密度为90～95％。室温下的三点弯曲法测试的抗弯强度为710MPa左右，用单边切口梁法测试的断裂韧性为8MPa·m^1/2，复合材料在1000℃时的三点弯曲抗弯强度约为800MPa。

实施例4：

将平均粒径约为2～4μm、纯度99％以上的碳化铌和碳化铪粉末与平均粒径约为3.5μm、纯度99％以上的钨粉按体积百分比：NbC∶HfC∶W＝20∶10∶70进行湿混，加入钢球作球磨介质，乙醇做分散剂。混合15小时后取出混合料，烘干后放入石墨模具中，在真空炉中直接进行热压烧结，制得复合碳化物颗粒体积分数为30％的钨基复合材料。烧结工艺为：2000℃时保温3小时，单向热压压力为35MPa，真空度为1.3×10^-2Pa。复合材料的致密度为90～95％。室温下的三点弯曲法测试的抗弯强度为850MPa左右，用单边切口梁法测试的断裂韧性为9MPa·m^1/2，复合材料在1000℃时的三点弯曲抗弯强度约为900MPa。

实施例5：

将粒径约为1～4μm、纯度98％以上的碳化钛、碳化铌和碳化铪粉末与平均粒径约为3.5μm、纯度99％以上的钨粉按体积百分比：TiC∶NbC∶HfC∶W＝20∶10∶5∶65进行湿混，加入钢球作球磨介质，乙醇做分散剂。混合10小时后取出混合料，烘干后放入钢模中，200MPa冷压15分钟，然后将坯料取出放入石墨模具中，在真空炉中直接进行热压烧结，制得复合碳化物颗粒体积分数为35％的钨基复合材料。烧结工艺为：2200℃时保温0.5小时，单向热压压力为15MPa，真空度为1.3×10^-2Pa。复合材料的致密度为91～94％。室温下的三点弯曲法测试的抗弯强度为700MPa左右，用单边切口梁法测试的断裂韧性为8MPa·m^1/2，复合材料在1000℃时的三点弯曲抗弯强度约为950MPa。

实施例6：将粒径约为1～4μm、纯度98％以上的碳化锆、碳化钽和碳化铪粉末与平均粒径约为3.5μm、纯度99％以上的钨粉按体积百分比：ZrC∶TaC∶HfC∶W＝20∶10∶5∶65进行湿混，加入氧化锆球作球磨介质、乙醇做分散剂。混合20小时后取出混合料，烘干后进行封装，放入热等静压炉中，在2100℃、150MPa压力下烧结45分钟，制得复合碳化物颗粒体积分数为35％的钨基复合材料。复合材料的致密度为92～98％。室温下的三点弯曲法测试的抗弯强度为850MPa左右，用单边切口梁法测试的断裂韧性为10MPa·m^1/2，复合材料在1000℃时的三点弯曲抗弯强度约为900MPa。在1400℃时的抗压强度大于900MPa。

实施例7：

将粒径约为1～4μm、纯度98％以上的碳化锆、碳化钽和碳化铪粉末与平均粒径约为3.5μm、纯度99％以上的钨粉按体积百分比：ZrC∶TaC∶Hf℃∶W＝10∶5∶10∶75进行湿混，加入氧化锆球作球磨介质、乙醇做分散剂。混合20小时后取出混合料，烘干后进行封装，放入高温炉中，在2300℃真空中、无压烧结5小时，制得复合碳化物颗粒体积分数为25％的钨基复合材料。复合材料的致密度为92～98％。室温下的三点弯曲法测试的抗弯强度为800MPa左右，用单边切口梁法测试的断裂韧性为9MPa·m^1/2，复合材料在1000℃时的三点弯曲抗弯强度约为900MPa。在1500℃时的抗压强度大于800MPa。

Claims

1、一种复合碳化物颗粒增强钨基复合材料，其特征在于：按以下步骤实现：

(1)将复合碳化物4TaC·ZrC粉末或者4TaC·HaC粉末与钨粉混合均匀，混合方式为湿混，混合介质为乙醇、丙酮，加入钢球或陶瓷球做混料球，也可不加入混料球，将混合粉末和混合介质放于钢筒中或塑料筒中进行混合，混合时间为2～36小时；

(4)将混合均匀的粉末，先在室温下冷压成型，而后热压烧结，也可不经冷压成型直接热压烧结，烧结温度为1900℃～2300℃，加压方式为单向或双向加压，施压压力为15～45MPa，烧结保温时间为0.5～5小时，烧结气氛为氢气、氩气、氮气或真空；

2、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：步骤(1)中复合碳化物颗粒可以是TiC、NbC、TaC、HfC等两种、三种或四种碳化物的混合物粉末，还可以是ZrC、NbC、TaC、HfC等两种、三种或四种碳化物的混合物粉末。

3、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：步骤(1)中混合方式可为干混，混合时间为8～36小时。

4、根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：步骤(4)中可采用冷压成型，无压烧结，烧结温度为1900～2300℃，烧结保温时间为1～10小时，烧结气氛为氢气、氩气、氮气或真空；还可以将混合均匀的粉末冷等静压，再经热等静压烧结，烧结温度为1900℃～2300℃，烧结保温时间为0.5～5小时，烧结压力为20～200MPa，烧结气氛为氢气、氩气、氮气或真空，也可采用无压烧结或气压烧结，气压烧结时的气体介质可以是氢气、氩气或氮空。