一种钨铜功能梯度材料的制备方法

专利名称：一种钨铜功能梯度材料的制备方法
技术领域：
本发明属于材料工程领域，具体涉及一种钨铜功能梯度材料的制备方法。
背景技术：
钨铜合金是由互不相溶的钨相和铜相组 成的假合金，该合金具备钨材料的高熔点、抗电蚀、低膨胀系数、耐磨性等优点，同时又具备铜的高导电性和导热性、塑性好、易加工的优点，被广泛用作电子封装中的热沉、中高压电触点、电火花加工用电极、焊接电极等。在很多情况下，要求材料的一侧耐受高温、而另一侧则要与导热性好的铜或铜合金连接，由于钨和铜的物理性能相差较大，单一成分的钨铜合金很难缓解材料内部和界面上的热应力，功能梯度材料(Functionally graded material,FGM)则可以较好地解决这一问题。鹤铜功能梯度材料的一侧是高导电/高导热的铜，另一侧低膨胀、高熔点、高硬度的钨，中间则为呈梯度变化的过渡层。这种非均匀的复合材料可以把材料各种不同的性能融于一体，具有热应力缓释功能，能充分发挥钨、铜各自的本征特性，有较好的力学性能、抗烧蚀性、抗热震性等综合性能，非常适合作为超高压电触头材料、大功率电子封装热沉、喷管喉衬、电子束靶等高科技领域中的器件及用作核聚变装置中面向等离子体的偏滤器材料。现有技术中，钨铜梯度材料的制备工艺主要有以下几种方法I采用熔渗工艺，采用分层装入粒度不同的钨粉压制、烧结获取孔隙成梯度分布的多孔体，随后采用熔渗的方法，将铜渗入到孔隙中(周张健等，一种熔渗-焊接法制备钨/铜功能梯度材料的方法，专利申请号200410009297. 4)。该方法在制备梯度钨骨架时，由于烧结收缩率的不同，部件形状尺寸难于控制。此外，制备钨骨架时采用的造孔剂均为有机物，分解时产生的气体容易导致钨坯的膨胀和破裂，且生成的孔隙分布不均会导致熔渗铜后出现富铜区和贫铜区。2采用等离子喷涂，将不同组分的钨粉和铜粉的混合体逐层喷涂，制备功能梯度材料(葛昌纯等，一种用作聚变堆偏滤器器件的钨/铜梯度材料及其制备方法，专利申请号00136770)。该方法在成形钨铜功能梯度材料时，大量残余孔隙以及氧含量降低了材料的性能。此外，当需制备的部件面积较大时，等离子体喷涂需要逐行扫描喷涂，相邻两行之间的材料由于温差较大，结合界面易出现缺陷，同时制备效率较低。3采用机械合金化方法制备不同组分的钨铜复合粉，通过多坯料挤压等方法制备功能梯度材料的生坯，再经脱脂烧结得到功能梯度材料(谢建新等，一种钨铜梯度热沉材料及其制备方法，专利申请号03142678. 6)。该方法在采用机械合金化制备钨铜复合粉末时，容易引入杂质，同时制备效率较低。同时，机械合金化很难控制对不同组分的钨铜复合粉末的粒度进行控制。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种钨铜功能梯度材料的制备方法。本发明的技术方案如下
一种钨铜功能梯度材料的制备方法，包括如下步骤(I)将钨前驱体和铜前驱体加入水中，配制成若干份具有不同钨铜重量比的溶胶体系，在上述溶胶体系中还可以加入表面活性剂，将上述若干份溶胶体系通过干燥，得到相应的若干份钨铜复合前驱体粉末；(2)将所述若干份钨铜复合前驱体粉末 进行煅烧，完全转化为相应的若干份氧化物复合粉末；(3)将所述若干份氧化物复合粉末进行还原，得到相应的若干份超细钨铜复合粉末；(4)将上述若干份超细钨铜复合粉末逐层铺在模具内，压制成生坯；(5)将上述生坯进行烧结，得到钨铜功能梯度材料。在本发明的一个优选实施方案中，所述钨前驱体为仲钨酸铵或偏钨酸铵，所述铜前驱体为硝酸铜。在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(I)的溶胶体系中还加有表面活性剂。在本发明的一个优选实施方案中，所述表面活性剂为柠檬酸、聚乙二醇和硬脂酸中的一种或几种。在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(I)中的干燥为喷雾干燥，干燥温度为12(Tl80°C。在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2 )中的煅烧气氛为空气气氛，煅烧温度为50(T90(TC，煅烧时间为6(Tl80分钟。在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)中的还原的气氛为氢气气氛,还原温度为 50(T900°C。 在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(4 )中的模具为模压模具或冷等静压模具，压制压力为5(T500MPa。在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(5 )中的烧结气氛为氢气气氛，烧结温度为110(Tl60(TC，烧结时间为2 4小时。本发明的有益效果是I本发明的钨铜功能梯度材料的制备方法，使得各种设计的钨铜功能梯度材料可以在制造上得以实现，采用该方法制备的梯度材料各层均基本致密(致密度>95%)，各层的铜含量与设计值的偏差很小(〈O. 5%，质量分数)，材料的纯度高(杂质含量)，层与层之间的界面结合没有缺陷，过渡自然；2用本发明的方法制备出的钨铜复合粉末的原始颗粒大小为400_800nm，钨铜两相均匀分布，基于该粉末制备出的钨铜梯度材料的微区均匀性好，这对于材料和部件的性能(如热导率)很重要；3在本发明的方法所采用的热化学法制备钨铜复合粉末的过程中，可以通过调整溶液的配制、喷雾以及还原工艺，实现对最终粉末的粒度控制，从而控制粉末的烧结活性；4本发明的方法采用冷等静压或模压方法成形钨铜功能梯度材料，一次烧结成形，工艺简单，无需添加有机粘结剂或造孔剂，也不需要渗铜步骤，适合批量生产大尺寸的钨铜功能梯度材料部件。


图I为本发明实施例I中WlOCu超细钨铜复合粉末的扫描电镜图；图2为本发明实施例I中W32CU超细钨铜复合粉末的扫描电镜图；图3为本发明实施例I中W60CU超细钨铜复合粉末的扫描电镜图；图4为本发明实施例I所得钨铜功能梯度材料的横截面金 相图；图5为本发明实施例I所得钨铜功能梯度材料中WlOCu层和W32Cu层的结合处的扫描电镜图；图6为本发明实施例I所得钨铜功能梯度材料中W32CU层和W60Cu层的结合处的扫描电镜图。
具体实施例方式以下通过具体实施方式
结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。以下实施例中钨铜合金的组分均为质量分数。实施例I本实施例用于制备一种3层钨铜功能梯度材料，3层的铜含量分别为10%，32%，60%。具体实施步骤如下(I)将偏钨酸铵、硝酸铜、水按16:5:21，10:13:23和1:4:5的质量比例分别配成3种溶液，均匀搅拌30分钟后形成透明的溶胶体系，将上述溶胶在140° C进行喷雾干燥，得到3种不同钨铜配比的钨铜复合前躯体粉末。(2)将上述三种钨铜复合前躯体粉末在空气中进行锻烧，煅烧温度为600°C，煅烧时间为120分钟，得到相应的三种氧化物复合粉末。(3)将上述三种氧化物复合粉末在H2中还原，还原温度700°C，分别得到超细钨铜复合粉末WlOCu (Cu含量为10%)，W32Cu (Cu含量为32%)和W60Cu (Cu含量为60%),上述各超细钨铜复合粉末的扫描电镜图分别如图I、图2和图3所示。(4)按照功能梯度材料设计的各层厚度，将相应质量的WlOCu，W32Cu和W60Cu超细钨铜复合粉末逐层装入等静压模具中，在150MPa下压制成生坯。上述超细钨铜复合粉末粒度分布见下表
权利要求
1.一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤 (1)将钨前驱体和铜前驱体加入水中，配制成若干份具有不同钨铜重量比的溶胶体系，在上述溶胶体系中还可以加入表面活性剂，将上述若干份溶胶体系通过干燥，得到相应的若干份钨铜复合前驱体粉末； (2)将所述若干份钨铜复合前驱体粉末进行煅烧，完全转化为相应的若干份氧化物复合粉末； (3)将所述若干份氧化物复合粉末进行还原，得到相应的若干份超细钨铜复合粉末； (4)将上述若干份超细钨铜复合粉末逐层铺在模具内，压制成生坯； (5)将上述生坯进行烧结，得到钨铜功能梯度材料。
2.如权利要求I所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于所述钨前驱体为仲鹤酸铵或偏鹤酸铵，所述铜前驱体为硝酸铜。
3.如权利要求2所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于所述步骤(I)的溶胶体系中还加有表面活性剂。
4.如权利要求3所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于所述表面活性剂为柠檬酸、聚乙二醇和硬脂酸中的一种或几种。
5.如权利要求I至4中任一权利要求所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于所述步骤(I)中的干燥为喷雾干燥，干燥温度为12(T180°C。
6.如权利要求I至4中任一权利要求所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中的煅烧气氛为空气气氛，煅烧温度为50(T90(TC。
7.如权利要求I至4中任一权利要求所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中的还原的气氛为氢气气氛，还原温度为50(T90(TC。
8.如权利要求I至4中任一权利要求所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于所述步骤(4)中的模具为模压模具或冷等静压模具，压制压力为5(T500MPa。
9.如权利要求I至4中任一权利要求所述的一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于所述步骤(5)中的烧结气氛为氢气气氛,烧结温度为110(Tl600°C。
全文摘要
本发明公开了一种钨铜功能梯度材料的制备方法。本发明的方法包括如下步骤(1)将钨前驱体和铜前驱体加入水中，配制成若干份具有不同钨铜重量比的溶胶体系，在上述溶胶体系中还可以加入表面活性剂，将上述若干份溶胶体系通过干燥，得到相应的若干份钨铜复合前驱体粉末；(2)将所述若干份钨铜复合前驱体粉末进行煅烧，完全转化为相应的若干份氧化物复合粉末；(3)将所述若干份氧化物复合粉末进行还原，得到相应的若干份超细钨铜复合粉末；(4)将上述若干份超细钨铜复合粉末逐层铺在模具内，压制成生坯；(5)将上述生坯进行烧结，得到钨铜功能梯度材料。本发明可实现各种设计的钨铜功能梯度材料，所得材料层与层之间的界面无缺陷，过渡自然。
文档编号B22F3/16GK102861914SQ20121023933
公开日2013年1月9日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者宋久鹏, 刘俊勇, 于洋, 庄志刚, 练友运, 刘翔 申请人:厦门虹鹭钨钼工业有限公司