纳米梯度复合W-Cu材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及纳米材料及粉末冶金领域，特别是纳米梯度复合W‑Cu材料的制备方法，制备多种成分的W‑Cu复合粉末，通过控制复合粉末的粒度、形貌，进而改变不同成分的W‑Cu复合粉末的烧结活性，获得能在相同温度下烧结近全致密的不同成分的W‑Cu复合粉末；将纳米复合W‑Cu粉末按铜含量由高到低依次分层铺粉后压制成形；脱模、预烧、一步液相烧结后得到纳米梯度复合W‑Cu材料。该方法通过对复合粉末制备过程的工艺控制，达到W‑Cu复合粉末粒度、形貌以及烧结致密化行为的控制，进而实现一步烧结制备多层梯度复合材料，制备的W‑Cu梯度复合材料致密度高，组织细小且均匀，层间结合完好，成分和性能沿厚度方向呈连续变化；成分范围大，性能变化范围大。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料及粉末冶金领域，特别是纳米梯度复合W-Cu材料的制备方法。
技术介绍
W-Cu梯度复合材料是均质W-Cu复合材料和功能梯度化结合的产物，兼有组元W、Cu和组织性能梯度化的特性。W作为熔点最高的金属，具有高强度、低热膨胀系数、热稳定性好等优点；Cu具有良好的加工性、高导热/电性、稳定的化学性能等优势，因此，W-Cu梯度复合材料在电子、交通、航空航天等领域上具有很大的应用价值。目前W-Cu梯度复合材料的制备方法主要有熔渗法、粉末冶金法、等离子喷涂法等。熔渗法是均质W-Cu材料制备常见的一种工艺，先通过高温烧结加有造孔剂和诱导铜的W坯样，再在制备的具有一定孔隙率的W骨架中渗入铜液，其特点是制备的W-Cu材料的力学性能和导电性能较好，但W骨架烧结温度高，孔隙分布难以控制，W晶粒粗大，组织不均匀，而且高Cu含量W骨架较难制备，特别在W-Cu梯度复合材料的制备中，成分分布和形状难以精确控制(收缩不一致)。此外，采用熔渗法制备W-Cu梯度复合材料时后续还要用机加工去除多余的铜，增加了生产成本、降低了成品率和工作效率。粉末冶金法是将不同成分的W-Cu混合粉，逐层铺装，压制成具有梯度结构的压坯，再通过高温液相烧结获得具有梯度结构的W-Cu复合材料。由于不同成分的W-Cu粉末烧结温度不一致，在同一温度下液相烧结时会出现样品致密度不高，以及组织粗大等现象，进而使得材料性能差。W-Cu功能梯度材料的等离子喷涂法主要分为气氛等离子喷涂(APS)和真空(低压)等离子喷涂(VPS)，此法通过控制工艺参数(喷粉的成分比例、温度及喷涂速度等)来调整涂层组织和成分。但是，这种方法制备的W-Cu梯度复合材料中由于各层之间的结合以机械结合为主，结合强度低，且梯度材料孔隙率高，各梯度层的结合部位容易剥落。近年来研究表明，通过提高W-Cu复合粉末成分均匀性并减小粉末粒度可显著缓解W和Cu的相溶性，进而提高液相烧结致密化。这方面的研究主要有高能球磨工艺和热化学工艺。传统的高能球磨工艺，可以减小粉末粒度、增加Cu在W中的固溶度，得到高致密度的单一成分W-Cu复合材料。本专利专利技术人在前阶段已申请并获得了一项国家专利技术专利“细晶钨铜复合材料的制备方法”(专利号：ZL200510031446.1)，该专利以可溶性钨盐、铜盐晶体为原料，采用溶胶喷雾干燥-煅烧还原工艺制备的超细/纳米W-Cu复合粉末，粉末纯度高、烧结致密化温度较常规W-Cu粉末明显降低，低温一步烧结后可得到高致密、细晶W-Cu复合材料。但这些方法制备的W-Cu复合材料由于成分不同导致不同铜含量的W-Cu复合粉末需要不同的烧结温度下达到全致密，这就使得采用纳米复合W-Cu粉末直接制备梯度材料过程时梯度材料烧结温度的选择存在难点，很难达到在一个温度下实现梯度材料近全致密度烧结。
技术实现思路
针对以上方法所制备的梯度W-Cu复合材料在材料性能和致密化方面存在的问题，本专利技术结合已有研究成果，采用纳米复合技术制备超细/纳米W-Cu复合粉末，通过控制W-Cu复合粉末的粒度、形貌来改变不同成分的W-Cu复合粉末的烧结活性，实现不同成分的W-Cu复合粉末在同一温度下烧结近全致密，进而采用分层铺粉压制和一步烧结制备晶粒细小、均匀、近全致密且梯度层各层结合完好的W-Cu梯度复合材料。本专利技术制备的纳米梯度复合W-Cu材料的致密度高达98.5％以上，合金组织细小均匀，层间结合性能好，材料性能沿厚度方向连续变化。本专利技术为达到上述目的，采用的具体方案如下：(1)采用溶胶-喷雾干燥-热还原技术、机械合金化技术、溶胶-凝胶技术中的一种或几种制备多种成分的W-Cu复合粉末，通过控制最终复合粉末的粒度、形貌，进而改变不同成分的W-Cu复合粉末的烧结活性，获得能在相同温度下烧结近全致密的不同成分的W-Cu复合粉末；具体的，溶胶-喷雾干燥-热还原法制备具有同一致密化温度的纳米复合W-Cu粉末：铜含量在10-30wt.％的W-Cu复合粉末煅烧温度控制在400-500℃，还原温度控制在600-750℃，还原时间在1-2h；铜含量在30-40wt.％的W-Cu复合粉末煅烧温度控制在500-700℃，还原温度控制在750-850℃，还原时间在2-3h；铜含量在40-60wt.％的W-Cu复合粉末煅烧温度控制在700-800℃，还原温度控制在800-900℃，还原时间在3-4h。机械合金化制备具有同一致密化温度的纳米复合W-Cu粉末：铜含量在10-30wt.％的W-Cu复合粉末球料比为10-20:1，转速为400-500r/min，球磨时间为40-60小时；铜含量在30-40wt.％的W-Cu复合粉末球料比为5-15:1，转速为300-400r/min，球磨时间为20-40小时；铜含量在40-60wt.％的W-Cu复合粉末球料比为5-10:1，转速为300-350r/min，球磨时间为10-20小时；各种复合粉末在球磨过程中采用氩气为保护气体防止粉末氧化，以无水乙醇为溶剂进行湿磨。溶胶-凝胶法制备具有同一致密化温度的纳米复合W-Cu粉末：铜含量在10-30wt.％的W-Cu复合粉末溶液中溶质比例在10-20wt％，煅烧温度在300-400℃，还原温度在500-600℃，还原时间在1-2h；铜含量在30-40wt.％的W-Cu复合粉末溶液中溶质比例在20-30wt％，煅烧温度在400-500℃，还原温度在600-700℃，还原时间在2-3h；铜含量在40-60wt.％的W-Cu复合粉末溶液中溶质比例在30-40wt％，煅烧温度在500-600℃，还原温度在700-800℃，还原时间在3-4h。(2)将纳米复合W-Cu粉末按铜含量由高到低依次分层铺粉后压制成形；成形压力100～400MPa，保压5-10s，脱模。(3)将步骤(2)所得压坯在氢气气氛中500～1000℃预烧0.5-3h，得到多层梯度W-Cu预烧坯。(4)将步骤(3)所得预烧坯在1300～1450℃一步液相烧结0.5-3h，得到纳米梯度复合W-Cu材料。本专利技术提供的纳米梯度复合W-Cu材料的制备方法，通过对复合粉末制备过程的工艺控制，达到W-Cu复合粉末粒度、形貌以及烧结致密化行为的控制，进而实现一步烧结制备多层梯度复合材料，制备的W-Cu梯度复合材料致密度高，组织细小且均匀，层间结合完好，成分和性能沿厚度方向呈连续变化；成分范围大，性能变化范围大，可满足多种应用场合的需要；该方法烧结温度低、工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
纳米梯度复合W‑Cu材料的制备方法，其特征在于，包括以下过程：(1)首先设计采用纳米复合W‑Cu粉末来制备具有二层、三层或多层结构的W‑60Cu/W‑10Cu梯度复合材料；(2)制备纳米复合W‑Cu粉末，在粉末制备过程中通过控制纳米复合W‑Cu粉末的形貌、粒度来改变不同成分W‑Cu复合粉末的烧结活性，进而实现不同成分W‑Cu复合粉末在同一温度下烧结近全致密；(3)采用分层铺粉压制成形的方法将步骤(2)中获得纳米复合W‑Cu粉末压制成具有梯度结构的W‑Cu材料压坯；(4)将步骤(3)中获得的压坯在保护性气氛中预烧；(5)将步骤(4)中获得预烧后的坯体在保护性气氛中高温一步烧结，获得层间结合完好、接近全致密的纳米梯度复合W‑Cu材料。

【技术特征摘要】
1.纳米梯度复合W-Cu材料的制备方法，其特征在于，包括以下过程：
(1)首先设计采用纳米复合W-Cu粉末来制备具有二层、三层或多层结构
的W-60Cu/W-10Cu梯度复合材料；
(2)制备纳米复合W-Cu粉末，在粉末制备过程中通过控制纳米复合W-Cu
粉末的形貌、粒度来改变不同成分W-Cu复合粉末的烧结活性，进而实现不同成
分W-Cu复合粉末在同一温度下烧结近全致密；
(3)采用分层铺粉压制成形的方法将步骤(2)中获得纳米复合W-Cu粉末
压制成具有梯度结构的W-Cu材料压坯；
(4)将步骤(3)中获得的压坯在保护性气氛中预烧；
(5)将步骤(4)中获得预烧后的坯体在保护性气氛中高温一步烧结，获得
层间结合完好、接近全致密的纳米梯度复合W-Cu材料。
2.根据权利要求1所述的纳米梯度复合W-Cu材料的制备方法，其特征在
于，所述的步骤(2)纳米复合W-Cu粉末采用溶胶-喷雾干燥-热还原技术、机械
合金化和溶胶-凝胶方法中的一种或多种来制备，粉末制备过程中：
(1)溶胶-喷雾干燥-热还原法制备纳米复合W-Cu粉末：铜含量在10-30wt.％
的W-Cu复合粉末煅烧温度控制在400-500℃，还原温度控制在600-750℃，还原
时间在1-2h；
铜含量在30-40wt.％的W-Cu复合粉末煅烧温度控制在500-700℃，还原温
度控制在750-850℃，还原时间在2-3h；
铜含量在40-60wt.％的W-Cu复合粉末煅烧温度控制在700-800℃，还原温
度控制在800-900℃，还原时间在3-4h；
(2)机械合金化制备纳米复合W-Cu粉末：铜含量在10-30wt.％的W-Cu复
合粉末球料比为10-20:1，转速为400-500r/min，球磨时间为40-60小...

【专利技术属性】
技术研发人员：范景莲，刘涛，田家敏，蒋冬福，李鹏飞，高杨，郭垚峰，
申请(专利权)人：长沙微纳坤宸新材料有限公司，中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43