氧化钇‑钨连续梯度材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及氧化钇‑钨连续梯度材料及其制备方法和应用。所述梯度材料包括厚度为l0的钨层、厚度为l1的氧化钇层和厚度为l2的具有富钨面和富氧化钇面的过渡层，并且l0和l1独立地≥0，l2＞0；过渡层中距离钨面的z位置处的氧化钇的体积分数并且钨的体积分数其中，l＝l0+l2，0.1≤p≤2.0，l0≤z≤l。本发明专利技术的制备方法优选采用自由沉降的方式结合冷压成型和烧结工艺形成所述过渡层。本发明专利技术还提供了所述梯度材料在例如制造坩埚等中的应用。本发明专利技术的梯度材料具有高热导率、高密度、低热膨胀系数、优良的耐蚀性、优异的抗热冲击以及与熔炼金属不润湿等性能，可广泛用于金属熔炼和精细提纯等领域。所述方法具有工艺简单、周期短、成本低、易操作等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料领域，具体涉及氧化钇-钨连续梯度材料及制备方法。技术背景随着科学的发展，一些具有特殊性能的金属及合金材料被广泛地用在汽车工业，航空航天、电气电子、化工、石油、国防军工等方面。包括镁合金、铝合金、镍合金、铜合金、铀合金等。对于这些合金材料，在使用过程中要求具有很高的纯度以保证性能。因此，合金的熔炼具有重要的国民价值。石墨材料由于具有耐高温、抗热震性能好、易加工以及价格低廉等优点，广泛应用于熔炼高温合金的坩埚材料。但由于熔融态的合金具有很高的反应活性，很容易在高温下与石墨和CO反应而引起碳污染。为了降低这种污染，现多采用基体与内衬涂层相结合的复合材料体系，但研究发现，其存在基体与内衬之间的结合状况不良、高温环境或热冲击条件下内衬的抗热震性能和耐侵蚀性能难以兼顾等缺点。关于石墨坩埚的研究也主要集中在对涂层材料的选择和喷涂工艺的探索。通常使用的的涂层材料除了有高熔点氧化物(Al2O3，MgO，CaO,ZrO2，Y2O3，YSZ(7-8％Y2O3))和氮化物(TiN，ZrN，HfN)外，还有一部分碳化物。此外,还有MgZrO2、CaZrO2等锆酸盐和Al2TiO5等。Vasconcelos的研究结果表明，在1700K时TiN与熔融合金之间没有发生任何化学反应。A.Shankar采用磁控溅射法制备具有TiN，ZrN和HfN涂层石墨坩埚，涂层厚度在3.62～3.85μm，并计算了涂层材料与高温合金反应的吉布斯自由能，计算结果表明在低于1500℃的温度范围内，涂层材料能够与合金保持良好的化学稳定性。CondonJ.B等人研究了近50种陶瓷材料(包括金属氧化物，氮化物，碳化物，硼化物，硅化物)的涂层，设计了高温合金熔融反应性实验，大多数金属氧化物在与合金反应中保持了较好的化学稳定性。其中，以Y2O3涂层的抗合金侵蚀性能最佳，热稳定性最好。J.Joseph在专利中提出使用Al2TiO5涂层也可以有效地减少坩埚对熔融态合金的污染。张显、成来飞等人分别对Y2O3、CaO、BeO、Ce2O3、MgO、ZrO2等涂层或内衬材料与金属在高温下的化学反应进行了热力学计算。结果表明在1200K～1900K温度区间内，Y2O3、CaO、BeO和Ce2O3不会与高温合金发生化学反应，具有良好的热化学稳定性，Y2O3对高温合金的热化学稳定性最好，其次依次为CaO、BeO和Ce2O3，MgO在接近1600K时，可发生反应。但是，Y2O3的热膨胀系数较大，高温力学性能较低，因此以纯Y2O3作为高温合金熔炼坩埚材料不能满足使用要求。纯W具有高热导率、低热膨胀系数、优良的耐蚀性、抗热冲击以及抗中子辐照性等性能。但作为熔炼坩埚材料，由于金属间的相互扩散对合金的熔炼和浓缩势必造成一定的影响。日本东芝公司研发了W-Y2O3的复合材料，这种材料具有的高强度和高耐腐蚀性；在1000℃以内，抗弯强度达到800MPa，超过纯W的5倍，且熔炼后的稀土金属杂质含量下降到十分之一。但是日本东芝公司研发的W-Y2O3复合材料在传递材料制备和服役过程中产生较高的热应力，从而导致抗热震性能和耐侵蚀性能不足。中国专利申请CN200910046508.4公开了一种熔钛用坩埚，该坩埚为在石墨坩埚的内表面涂覆有一复合涂层，该复合涂层为内层、过渡梯度涂层和外层三层结构，内层为SiC薄层，过渡层由高温稳定化合物氧化钇、锆酸钙或硫化铈中的一种与难熔金属钨、钼或钽中的一种组成，外层为高温稳定化合物氧化钇、锆酸钙或硫化铈中的一种，所述过渡梯度涂层是由高温稳定化合物氧化钇、锆酸钙或硫化铈中的一种的粉末与难熔金属钨、钼或钽中的一种的粉末以不同质量比混合并用热喷涂法(激光熔覆、离子体喷涂等)制备的亚三层，从内向外，以高温稳定化合物与难熔金属质量比计，第一亚层为1∶3，第二亚层为1∶1，第三亚层为3∶1。但是这种坩埚是以石墨为基底，而且还需要在内层涂覆有SiC薄层，因而存在不能用于对C敏感的金属或者合金的熔炼。另外，该坩埚中的过渡层中的亚三层中高温稳定氧化物和难熔金属的比例只是简单升降，并没有通过对目标材料梯度分布函数进行优化设计来实现目标材料热应力的优化匹配，因此所述内层、过渡梯度涂层和外层之间以及各亚三层之间仍然存在明显层间界面，导致在制备和使用过程中产生的热应力不匹配现象，降低了整个材料构件的热机械性能尤其是降低了构件的抗热震性能。为了提高使用温度及高温合金的提炼纯度，并兼顾到抗热震性能和耐侵蚀性能，本专利技术提出了粉末沉降法制备具有连续梯度过渡结构的Y2O3-W梯度材料以满足以上性能的要求。与相关报道中提到的粉末层铺法制备的梯度材料相比，采用沉降法制备的Y2O3-W连续梯度材料可有效地弱化或消除梯度层间的层间界面，从而降低梯度材料在制备和使用过程中产生的热应力不匹配现象，提高整个构件的热机械性能。本专利技术所制备的材料可广泛应用于高温合金熔炼领域，具有良好的抗热震性能和抗侵蚀性能，且制备工艺简单、能耗较低、环境友好，具有广阔的产业化应用前景。
技术实现思路
为了克服现有技术中的一个或者多个上述问题，本专利技术在第一方面提供了一种氧化钇-钨连续梯度材料，所述梯度材料包括厚度为l0的钨层、厚度为l1的氧化钇层和厚度为l2的过渡层，并且l0和l1独立地≥0，l2＞0；所述过渡层具有钨面和氧化钇面并且位于所述钨层和所述氧化钇层之间，所述钨层位于所述过渡层的钨面一侧，所述氧化钇层位于所述过渡层的氧化钇面一侧；所述过渡层中距离所述钨面的z位置处的氧化钇的体积分数并且所述过渡层中距离所述钨面的z位置处的钨的体积分数其中，l＝l0+l2，0.1≤p≤2.0，l0≤z≤l。本专利技术在第二方面提供了一种制备本专利技术第一方面所述梯度材料的方法，所述方法包括如下步骤：(a)根据所述梯度材料的尺寸和层数，称取所需的钨粉末和氧化钇粉末；(b)使用第三分散介质和第三分散剂制备用于形成所述过渡层的第三分散液，使用第一分散介质和第一分散剂制备用于形成所述钨层的第一分散液，使用第二分散介质和第二分散剂制备用于形成所述氧化钇层的第二分散液；(c)依次使所述第一分散液、所述第三分散液和所述第二分散液沉降在模具中并移除液体以形成沉降体；(d)干燥所述沉降体，从而制得预制坯体；和(e)将所述预制坯体冷压成型并烧结，从而制得所述梯度材料。本专利技术在第三方面提供了根据本专利技术第一方面所述的梯度材料或者本专利技术第二方面所述的方法制得的梯度材料在制备坩埚尤其是用于熔炼金属或合金的熔炼坩埚中的应用。本专利技术在保证制备的连续梯度材料经过1200～1600℃高温区间的循环热震15～25次后，材料没有发生明显层间剥落及断裂失效等现象；且材料能够抵抗功率为50～80MW/m2的瞬间激光热冲击，在线平均电子密度为1～1.5×1013/cm3的等离子体原位辐照下材料表面无明显的损伤，该材料具有高热导率、高密度、低热膨胀系数、优良的耐蚀性、优异的抗热冲击以及与熔炼金属不润湿等性能，此种坩埚材料可以广泛应用于金属熔炼和精细提纯等领域。本专利技术材料在保证具有良好耐烧蚀性能同时，还提高了梯度材料的抗热震性能和高温力学性能，避免了金属例如贵金属和合金例如高温合金在熔炼过程中受到的污染，因此特别适于制造坩埚尤其是熔炼金属例如贵金属和合金例如高温合金所使用的熔炼本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化钇‑钨连续梯度材料，其特征在于：所述梯度材料包括厚度为l0的钨层、厚度为l1的氧化钇层和厚度为l2的过渡层，并且l0和l1独立地≥0，l2＞0；所述过渡层具有富钨面和富氧化钇面并且位于所述钨层和所述氧化钇层之间，所述钨层位于所述过渡层的钨面一侧，所述氧化钇层位于所述过渡层的氧化钇面一侧；所述过渡层中距离所述钨面的z位置处的氧化钇的体积分数并且所述过渡层中距离所述钨面的z位置处的钨的体积分数其中，l＝l0+l2，0.1≤p≤2.0，l0≤z≤l。

【技术特征摘要】
1.一种氧化钇-钨连续梯度材料，其特征在于：所述梯度材料包括厚度为l0的钨层、厚度为l1的氧化钇层和厚度为l2的过渡层，并且l0和l1独立地≥0，l2＞0；所述过渡层具有富钨面和富氧化钇面并且位于所述钨层和所述氧化钇层之间，所述钨层位于所述过渡层的钨面一侧，所述氧化钇层位于所述过渡层的氧化钇面一侧；所述过渡层中距离所述钨面的z位置处的氧化钇的体积分数并且所述过渡层中距离所述钨面的z位置处的钨的体积分数其中，l＝l0+l2，0.1≤p≤2.0，l0≤z≤l。2.根据权利要求1所述的梯度材料，其特征在于：0.01cm≤l0≤4.0cm；和/或0.01cm≤l1≤1.0cm；和/或0.1cm≤l2≤1.0cm。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述钨的纯度独立地为90质量％以上，优选为98质量％以上；和/或所述氧化钇的纯度独立地为90质量％以上，优选为98质量％以上。4.根据权利要求1至3中任一项所述的梯度材料，其特征在于，所述过渡层和所述氧化钇层中的Y2O3的总质量所述过渡层和所述钨层中的W的总质量其中，为Y2O3的密度，ρW为W的密度，s为所述梯度材料的横截面积。5.一种制备权利要求1至4中任一项所述梯度材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(a)根据所述梯度材料的尺寸和层数，称取所需的钨粉末和氧化钇粉末；(b)使用第三分散介质和第三分散剂制备用于形成所述过渡层的第三分散液，使用第一分散介质和第一分散剂制备用于形成所述钨层的第一分散液，使用第二分散介质和第二分散剂制备用于形成所述氧化钇层的第二分散液；(c)依次使所述第一分散液、所述第三分散液和所述第二分散液沉降在模具中并移除液体以形成沉降体；(d)干燥所述沉降体，从而制得预制坯体；和(e)将所述预制坯体冷压成型并烧结，从而制得所述梯度材料。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：用于形成所述钨层的钨粉末的粒径和用于形成所述过渡层的钨粉末的粒径独立地为0.1μm至10μm；和/或用于形成所述氧化钇层的氧化钇粉末的粒径和...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈磊，王诗阳，王玉金，贾德昌，周玉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23