一种钨基难熔碳化物复合材料的低温制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着高温技术的发展，要求材料具备优良的高温综合性能以适应苛刻的高温环境，如足够的高温强度、良好的抗热震性及抗烧蚀等性能。难熔金属-碳化物组成的复合材料就是综合性能非常优异的高温材料，它利用材料性能的互补，使材料达到综合优化，其中W基难熔碳化物复合材料就是其中的一种。此类材料具有热学、化学和力学兼容性好，理想的高温强度和韧性以及抗热震、耐烧蚀等优良特点。相比传统的粉末冶金方法，反应熔渗法是将液态金属熔体无压浸渗到具有一定形状的多孔WC预制体中，是制备W基难熔碳化物复合材料的一种快速近净成型方法，该方法可大大降低此类材料的制造成本。
[0003]目前，采用完全碳化的WC粉体制备多孔WC预制体用于反应熔渗效果不理想。一方面原因在于采用完全碳化的WC粉体制备的预制体和熔融合金反应时会由于反应机制受限而无法反应完全。有WC残余的W基难熔碳化物复合材料高温性能会大大下降。现有工艺改良制备的无WC残余的W基难熔碳化物复合材料组织不均匀，且力学性能普遍偏低。另一方面，目前采用完全碳化的WC粉体制备复合材料中W相含量较低，且不可以随意改变复合材料中W相和难熔碳化物相的比例。因此，提出一种可行的改良方案对于低温制备W基超高温复合材料具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是要解决现有反应熔渗法制备W基难熔碳化物超高温复合材料会有WC残余，导致复合材料高温综合性能下降且复合材料相比例不可控制的问题。本发明提出采用不完全碳化的WC粉体制备W基复合材料的新思路。
[0005]本发明采用不完全碳化的WC坯体低温反应熔渗制备W基难熔碳化物复合材料。
[0006]本发明的一种钨基难熔碳化物复合材料的低温制备方法，是通过以下步骤实现的:
[0007]一、按重量百分比称取93.4%?99.0 %的钨粉和1.0%?6.6%的炭黑在1200?1600°C碳化I?4h，得到不完全碳化的WC粉体；
[0008]二、向步骤一制备得到的不完全碳化的WC粉体中加入的5wt.%聚乙烯醇水溶液，机械搅拌2?4h，混合均匀之后，在干燥箱中进行恒温干燥；其中，加入的5wt.%聚乙烯醇水溶液占WC粉体的质量的5% ；
[0009]三、将步骤二中干燥之后的粉体在钢模中进行预压，压力大小为10?20MPa，保压时间为3min，得生还；
[0010]四、将步骤三中得到的生坯进行冷等静压，然后卸压；其中，压力大小为50?200MPa，保压时间2min ；
[0011]五、将冷等静压之后的坯体在500°C氩气流中灼烧2?4h，然后在1500?1700°C氩气流中预烧2?4h，得到多孔WC预制体；
[0012]六、将步骤五中得到的多孔WC预制体用合金在1200°C?1400°C条件下进行熔渗，反应时间I?4h，完成钨基难熔碳化物复合材料的制备。
[0013]本发明包含以下有益效果:
[0014]本发明在1200?1700°C的低温下制备得到W基难熔碳化物复合材料。通过理论计算表明，可以通过调节钨粉和炭黑的比例来调节复合材料中钨和难熔碳化物两相的比例。通过本发明制备得到的复合材料中不含有WC等残留相，这能够大大改善复合材料的高温力学性能，尤其是抗热震和抗烧蚀性能；复合材料抗弯强度400?700MPa，断裂韧性达6?13MPa.m_1/2，力学性能得到了很大提高。
[0015]本发明采用不完全碳化的碳化钨粉低温反应熔渗制备复合材料，且可以通过改变配碳量来改变复合材料中W相和难熔碳化物相的比例。配碳量越低，得到复合材料中W相的含量越高。通过本发明制备的钨基复合材料中WC残留量大大降低，复合材料的综合力学性能得到很大提高。
[0016]本发明通过控制升温速率可以有效的防止升温速率过快造成温度场不均匀，从而造成碳化后组织不均匀，同时也避免升温速率过慢造成晶粒的异常长大；随炉冷却是为了保证冷却过程中WC不与空气接触，避免在冷却过程中被氧化。
【附图说明】
:
[0017]图1为实验1、实验2、实验3、实验4中制备的不完全碳化的碳化钨粉体的XRD图像，其中，?为W的XRD图，■为W2C的XRD图，?为WC的XRD图；
[0018]图2为实验1、实验2、实验3、实验4中制备的W基复合材料的XRD图像，其中，.为W的XRD图，?为W2C的XRD图，▲为WC的XRD图，?为Cu的XRD图，★为ZrC的XRD图；
[0019]图3为实验I制备的W基复合材料断口扫描图片；
[0020]图4为实验2制备的W基复合材料断口扫描图片；
[0021]图5为实验3制备的W基复合材料断口扫描图片；
[0022]图6为实验4制备的W基复合材料断口扫描图片。
【具体实施方式】
[0023]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的任意组合。
[0024]【具体实施方式】一:本实施方式的一种钨基难熔碳化物复合材料的低温制备方法，是通过以下步骤实现的:
[0025]一、按重量百分比称取93.4%?99.0 %的钨粉和1.0%?6.6%的炭黑在1200?1600°C碳化I?4h，得到不完全碳化的WC粉体；
[0026]二、向步骤一制备得到的不完全碳化的WC粉体中加入的5wt.%聚乙烯醇水溶液，机械搅拌2?4h，混合均匀之后，在干燥箱中进行恒温干燥；其中，加入的5wt.%聚乙烯醇水溶液占WC粉体的质量的5% ；
[0027]三、将步骤二中干燥之后的粉体在钢模中进行预压，压力大小为10?20MPa，保压时间为3min，得生还；
[0028]四、将步骤三中得到的生坯进行冷等静压，然后卸压；其中，压力大小为50?200MPa，保压时间2min ；
[0029]五、将冷等静压之后的坯体在500°C氩气流中灼烧2?4h，然后在1500?1700°C氩气流中预烧2?4h，得到多孔WC预制体；
[0030]六、将步骤五中得到的多孔WC预制体用合金在1200°C?1400°C条件下进行熔渗，反应时间I?4h，完成钨基难熔碳化物复合材料的制备。
[0031]本实施方式碳化时间是指温度达到1200?1600°C后的保温时间。
[0032]本实施方式步骤二中加入聚乙烯醇的目的是作为粘结粉体，便于后续坯体压制。其中所用聚乙烯醇为质量分数5 %的水溶液，加入量为5 %。
[0033]本实施方式采用不完全碳化的碳化钨粉低温反应熔渗制备复合材料，且可以通过改变配碳量来改变复合材料中W相和难熔碳化物相的比例。配碳量越低，得到复合材料中W相的含量越高。通过本发明制备的钨基复合材料中WC残留量大大降低，复合材料的综合力学性能得到很大提高。
[0034]本实施方式通过控制升温速率可以有效的防止升温速率过快造成温度场不均匀，从而造成碳化后组织不均匀，同时也避免升温速率过慢造成晶粒的异常长大；随炉冷却是为了保证冷却过程中WC不与空气接触，避免在冷却过程中被氧化。
[0035]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:钨粉的重量百分比为93.4 %?99 %、炭黑的质量百分含量为I %?6.6 %。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0036]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:钨粉的重量百分比为96%?99.0%、炭黑的质量百分含量为1.0%?4.0%。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0037]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:钨粉的重量百分比为97%?99.0%、炭黑的质量百分含量为1.0%?3.0%。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0038]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:钨粉的重量百分比为98%?99.0%、炭黑的质量百分含量为1.0%?2.0%。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0039]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中的钨粉和炭黑的纯度均大于99.0%。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0040]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中的钨粉和炭黑的纯度均大于99.5 %。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0041]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中钨粉和炭黑的粒度均为0.1?20 μ m。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0042]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中钨粉和炭黑的粒度均为I?15 μ m。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0043]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中钨粉和炭黑的粒度均为I?10 μ m。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0044]【具体实施方式】^^一:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中钨粉和炭黑的粒度均为I?5 μπι。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0045]【具体实施方式】十二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中钨粉和炭黑的粒度均为I?4μπι。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。