一种孔隙度梯度连续变化多孔钨坯及制备方法
【专利摘要】一种孔隙度梯度连续变化多孔钨坯及制备方法，属于粉末冶金技术领域。所述多孔钨坯中，孔隙度从高至低自表面至内部呈梯度分布，孔隙度连续变化。其制备方法，是将相对密度为55?85％的多孔钨原坯置于含水汽的惰性气氛中，通过水汽对钨组元的高温氧化?气化处理，将钨组元挥发逸出多孔钨原坯，实现造孔，得到孔隙度梯度连续变化的多孔钨粗坯，冷却后，再进行高温还原，得到孔隙度梯度连续变化的多孔钨坯。本发明工艺简单、操作方便、流程短、环境友好；可望解决空间几何特征较复杂的连续梯度钨铜钨合金部件的制备问题，为制造连续梯度钨铜复合材料创造条件。适于工业化应用。
【专利说明】
一种孔隙度梯度连续变化多孔钨坯及制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种孔隙度梯度连续变化的多孔钨坯及制备方法，属于粉末冶金技术领域。
【背景技术】
[0002]钨铜复合材料集金属钨的高硬度、高熔点与铜的高热导与优异的可加工性于一体，在电接触、加工电极、电子封装及超高温(如导弹喉衬材料)等领域具有较广泛的应用。对于含钨量(质量百分数)超过45%的钨铜合金通常以多孔钨骨架为基础，采用渗铜技术制备均质的钨铜复合材料。随着科学技术的发展，如新一代固体燃料火箭发动机的工作温度及压力增加，高温燃气对火箭喉衬冲刷与烧蚀能力增加，现有钨铜喉衬材料携带的铜量较低，铜自发汗冷却效应工作时间大幅度缩短，使用寿命仅为目标寿命的2/3;随着大规模集成电路技术的发展，电子器件的功率密度日益提高，需要开发高热导性、低热膨胀系数的钨铜复合材料;作为人类解决未来能源需求有效途径的核聚变系统，在面向高温等离子体的第一壁材料纯钨与水冷却系统铜合金之间的适配层材料，应具有优异的导热性与热膨胀系数连续变化的钨铜合金以缓解其中的热应力。在以上需求中，采用成份连续变化的钨铜复合材料是最佳解决途径。特别是，作为火箭喉衬与核聚变系统的适配层材料，由于空间几何形状的复杂性，现有技术构建成份连续梯度变得十分困难。
[0003]目前，已报道的钨铜梯度复合材料大都采用分层构造法-粉末铺层法，即将不同含铜量的钨铜粉末混合物逐层装填在模具内经压制得到钨铜粉末压坯，随后经过不同的烧结技术制备梯度钨铜复合材料。北京科技大学、中南大学、武汉理工大学、合肥工业大学等单位普遍采用这类方法制备块体式梯度钨铜复合材料。但这类复合材料的结构为阶梯式梯度结构，难以满足超高温服役条件下有效缓解高热应力的应用需要。为了满足有效缓解高热应力的应用需求，成份呈连续变化的梯度钨铜复合材料是最佳技术途径。为了制造连续梯度钨铜复合材料，超重力铸造法利用钨颗粒与铜液之间的密度差异使钨颗粒组份在单一方向(即重力场方向)构建铜含量连续变化的梯度钨铜合金。由于钨颗粒组份几乎处于自由填充状态，只能制备出铜含量高的连续梯度钨铜复合材料，工程应用价值很小。德国发明了利用多孔钨骨架为基础的电解侵蚀法制备孔隙度连续变化的多孔钨坯，再利用渗铜技术制备连续梯度钨铜复合材料的技术，但该技术构建孔隙度梯度的效率很低，通常耗时180-240小时。同时，该技术也存在污染环境问题且只能在单一方向构建孔隙度连续分布的多孔钨坯。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种工艺简单、操作方便、流程短、环境友好的孔隙度梯度连续变化的多孔钨坯及制备方法。本发明制备的孔隙度梯度连续变化的多孔钨坯自材料表面至内部孔隙度连续变化，可望解决空间几何特征较复杂的连续梯度钨铜钨合金部件的制备问题，为制造连续梯度钨铜复合材料创造条件。
[0005]本发明一种孔隙度呈连续梯度变化的多孔钨坯，所述多孔钨坯中，孔隙度自表面至内部呈梯度分布，孔隙度连续变化。
[0006]本发明中一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯，所述多孔钨坯中，孔隙度从高至低，自表面至内部呈梯度分布，孔隙度最高的区域为多孔钨坯表层区域。
[0007]本发明中一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯，所述多孔钨坯中，孔隙尺寸在5_38μπι的连续梯度分布，孔隙度梯度分布区域厚度为1.5-5mm。
[0008]本发明一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，将相对密度为55-85%的钨粉压坯置于含水汽的惰性气氛中，通过水汽对钨组元的高温氧化-气化处理，将钨组元挥发逸出多孔钨粉压坯，实现造孔，得到孔隙度梯度连续变化的多孔钨粗坯，冷却后，再进行高温还原，得到孔隙度梯度连续变化的多孔钨坯。
[0009]本发明一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，惰性气氛的气体选自氩或氮
Ho
[0010]本发明一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，所述高温氧化-气化处理工艺参数为:温度870-1100°(:，保温时间1.5-3小时。
[0011]本发明一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，高温还原工艺参数为:温度870-920 0C，保温时间1-1.5小时，还原气氛:氢气。
[0012]本发明一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，多孔钨原坯采用粒度为2_5μm的钨粉与7-10ymm的钨粉，按质量比1:2.3-1: 3混合均匀，压制成相对密度为55-85%的坯料。
[0013]本发明一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，制备得到的多孔钨坯中，孔隙尺寸在5_38μπι连续梯度分布，孔隙度梯度分布区域厚度为1.5-5mm。
[0014]原理和优势
[0015]本发明设计了孔隙度自材料表面至内部梯度分布的多孔钨坯;通过在含水汽的惰性气氛(氩气或氮气)下，在870-1100°C温度范围，利用水分子与多孔钨压坯中钨粉颗粒的氧化反应生成钨的氧化物并随后水分子与已形成的氧化钨反应生成具有挥发能力的钨氧化物的水合物即钨组元的气化，使钨组元逸出多孔钨坯而造孔。由于上述钨组份氧化、钨氧化物的水合物从多孔钨坯表面逐步向材料内部推进，因此，通过调控多孔钨原坯中钨组元的氧化-挥发处理条件与钨粉颗粒大小，可以调控孔隙度的大小、孔隙度连续变化的梯度、以及孔隙度梯度分布区域的厚度，可有效在多孔钨坯中形成表层区域孔隙度高而材料内部孔隙度逐步降低的连续孔隙度梯度变化的多孔钨坯。同时，本发明能够有效地构建空间几何形状较复杂的孔隙度连续变化的梯度多孔钨坯，为制备形状较复杂的连续梯度钨铜复合材料创造了条件。
【附图说明】
[0016]附图1为本发明实施例1制备的孔隙度梯度连续变化的多孔钨坯的孔隙度分布图。
[0017]附图2为本发明实施例2制备的孔隙度梯度连续变化的多孔钨坯的孔隙度分布图。
[0018]从附图1可以看出:在距表面3mm的空间内，孔隙度从表层中的24.7%连续降低到芯部区域的8.05%。
[0019]从附图2可以看出:在距表面1.5mm的空间内，孔隙度从表层中的31.4%连续降低到芯部区域的25.3%。
【具体实施方式】
[0020]本发明实施例制备的孔隙度梯度连续变化的多孔钨坯中，孔隙度采用定量金相分析方法测定。孔隙大小采用金相线切割法测量。
[0021 ]实施例1:高温用孔隙度梯度连续变化的多孔钨坯的制备
[0022]将70%(质量分数)的10微米的钨粉与30% (质量分数)5微米的钨粉在球磨机中混合6-8小时，随后将混合钨粉装入胶套并在300MPa进行冷等静压处理，压坯相对密度为57%。将钨粉压坯置于流动氮气的管式电炉中进行钨的氧化-气化处理。为了实现钨组元的氧化-气化处理效果，在氮气进入管式电炉前先通入含水的缓冲瓶中增湿。在970°C钨组元经“氧化-气化”处理1.5小时，随炉冷却。再在900°C于高纯氢气还原I小时。最后在通氢气的中频感应炉中于2200摄氏度烧结3小时，随炉冷却。多孔钨坯中孔隙度梯度分布如图1所示。从图1中可以发现，多孔钨坯中的孔隙度呈连续梯度分布，孔隙尺寸范围为12_38μπι。
[0023]实施例2:常温用孔隙度梯度连续变化的多孔钨坯的制备
[0024]先将60%(质量分数)的10微米的钨粉与40% (质量分数)的5微米钨粉在球磨机中混合6-8小时。在600-650MPa压力下成形块状样品，压坯相对密度为78%。将钨粉压坯置于流动氮气的管式电炉中进行钨的氧化-气化处理。为了实现钨组元的氧化-气化处理效果，在氮气进入管式电炉前先通入含水的缓冲瓶中增湿。在870°C钨组元经“氧化-气化”处理2小时，随炉冷却。再在920°C于高纯氢气还原I小时。多孔钨坯中孔隙度分布如图2所示。从图2可以看出，多孔钨坯中孔隙度呈连续梯度分布，孔隙尺寸范围为5-30μπι。
【主权项】
1.一种孔隙度呈连续梯度变化的多孔钨坯，其特征在于:所述多孔钨坯中，孔隙度自表面至内部呈梯度分布，孔隙度连续变化。2.根据权利要求1所述的一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯，其特征在于:所述多孔钨坯中，孔隙度从高至低，自表面至内部呈梯度分布。3.根据权利要求1所述的一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯，其特征在于:所述多孔钨坯中，孔隙尺寸在5-38μηι连续梯度分布，孔隙分布区域厚度为1.5_5_。4.一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，是将相对密度为55-85%的多孔钨原坯置于含水汽的惰性气氛中，通过水汽对钨组元的高温氧化-气化处理，将钨组元挥发逸出多孔钨原坯，实现造孔，得到孔隙度梯度连续变化的多孔钨粗坯，冷却后，再进行高温还原，得到孔隙度梯度连续变化的多孔钨坯。5.根据权利要求4所述的一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，其特征在于:惰性气氛的气体选自氩或氮气。6.根据权利要求4所述的一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，其特征在于:所述高温氧化-气化处理工艺参数为:温度870-1100°C，保温时间1.5-3小时。7.根据权利要求4所述的一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，其特征在于:高温还原工艺参数为:温度870-920°C，保温时间1-1.5小时，还原气氛:氢气。8.根据权利要求4所述的一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，其特征在于:多孔钨原坯采用粒度为2-5μπι的钨粉与7-10μπι的钨粉，按质量比1:2.3-1:3混合均匀，压制成相对密度为55-85%的坯料。9.根据权利要求4-8任意一项所述的一种孔隙度梯度变化的多孔钨坯的制备方法，其特征在于:制备得到的多孔钨坯中，孔隙度从高至低，自表面至内部呈梯度分布，孔隙度连续变化;孔隙尺寸在5_38μπι连续梯度分布，孔隙度梯度分布区域厚度为1.5-5mm。
【文档编号】C22C27/04GK105886821SQ201610381906
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】曹顺华, 肖彬, 马新星, 李世康
【申请人】中南大学