一种钨铜功能梯度材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及金属基复合材料制备技术领域，提供一种钨铜功能梯度材料及其制备方法，本发明专利技术的方法包括：以H2SO4·

【技术实现步骤摘要】
一种钨铜功能梯度材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属基复合材料制备
，尤其涉及一种钨铜功能梯度材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]偏滤器在国际热核试验反应堆和示范核聚变反应堆的设计中起到非常重要的作用，其主要功能是有效地屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，排出来自中心等离子体的粒子流和热流以及核聚变反应过程中所产生的氦灰。聚变堆偏滤器的第一壁结构设计有三层，分别为面向等离子体材料、热沉材料和结构材料组成。钨因为其高熔点、高耐溅射性以及低氚/氘滞留、低热膨胀系数等特点被用作面向等离子体材料；铜因为其优良的热机械性能，尤其是其高的导热系数而被应用于面向等离子体材料之后的热沉材料。然而，在实际应用中，由于W、Cu的热膨胀系数和熔点差异较大，这两种不同材料直接连接时，在接触稳态高热负荷时，界面处会形成较大的热应力集中。热应力集中会导致界面开裂等形式的破坏，降低构件的使用寿命。为了减少两种材料连接与热负荷所产生的残余应力及热应力，研究者提出钨铜功能梯度材料作为二者的连接材料，以提供一个平滑的性能过渡平台，缓解服役过程中的热失配。
[0003]层状钨铜功能梯度材料的烧结目前存在两个问题：1.由于钨铜复合材料烧结温度与其铜含量相关，铜含量差别较大的两种钨铜复合材料，它们的烧结温度差别也很大，为了防止各层烧结收缩过程差异过大而导致样品发生变形甚至开裂，在组分设计时，相邻的梯度层的Cu含量必须相近，总的梯度差异也必须较小，材料的组织和性能无法满足应用端越来越高的要求。2.采用常规的无压气氛烧结的烧结温度往往远高于Cu的熔点，熔融的Cu极易发生流失，同时烧结时间与冷却时间很长，不适合作为生产应用。公开号为CN113976885A的中国专利公开了一种钨铜功能梯度材料的制备方法，该专利中公开的熔渗
‑
焊接和热等静压的处理时间较长，难以在短时间内得到样品。公开号为CN109702200A的中国专利公开了一种钨铜功能梯度材料的制备方法，该专利中公开的W骨架采用3D打印的方法制备，该方法工艺复杂，成本较高，不利于钨铜功能梯度材料的规模化生产。
[0004]综上，如何采用一种高效、节能的钨铜梯度材料的制备方法制备高质量的钨铜梯度材料，克服现有技术中烧结时间长、Cu易挥发流失，工艺复杂、成本高昂等不足等缺点成了亟待解决的问题

技术实现思路

[0005]有鉴于此，为了解决钨铜功能梯度材料烧结时间长，Cu容易流失，工艺复杂，成本高昂等问题，本专利技术提供了一种钨铜功能梯度材料及其制备方法，通过化学镀粉和快速烧结解决上述问题。
[0006]一方面，本专利技术提供一种钨铜功能梯度材料，本专利技术的钨铜功能梯度材料由三层钨铜梯度层构成，其中，三层钨铜梯度层中的含Cu量逐层依次增加，第一钨铜复合粉体的含
Cu量为10％，第二钨铜复合粉体的含Cu量不低于20％，第三钨铜复合粉体的含Cu量不低于30％；所述材料的致密度不低于97.2％，常温热导率不低于201.2W
·
m
‑1·
k
‑1，20
‑
400℃下的平均热膨胀系数不大于10.14
×
10
‑6k
‑1。
[0007]另一方面，本专利技术提供一种钨铜功能梯度材料的制备方法，包括下述步骤：
[0008]步骤一、钨铜复合粉体制备
[0009]以H2SO4·
5H2O为Cu源，EDTA
·
2Na为络合剂，2,2联吡啶为稳定剂，甲醛溶液为还原剂，氢氧化钠溶液为pH值调节剂，将Cu离子还原在W粉末的表面，分别得到含Cu量不同的第一钨铜复合粉体、第二钨铜复合粉体和第三钨铜复合粉体；
[0010]步骤二、复合生坯压制
[0011]按质量比1:1:1对第一钨铜复合粉体、第二钨铜复合粉体和第三钨铜复合粉体进行配料；
[0012]将第一钨铜复合粉体置于模具型腔中，在室温下进行第一预压处理，得到单层预压压坯；将第二钨铜复合粉体置于单层预压压坯上，在室温下进行第二预压处理，得到双层预压压坯；将第三钨铜复合粉体置于双层预压压坯上，在室温下进行第三预压处理，得到三层预压压坯；
[0013]在室温下以350
‑
380Mpa的压力对三层预压压坯复压1min，得到复合生坯；
[0014]步骤三、烧结处理
[0015]在复合生坯的上方和下方设置碳纳米管薄膜，以通电的碳纳米管薄膜作为发热体，在真空环境中对复合生坯进行烧结处理，得到钨铜功能梯度材料。
[0016]进一步地，本专利技术钨铜功能梯度材料的制备方法的步骤一中，钨铜复合粉体制备按以下配比进行配料：H2SO4·
5H2O 100重量份，EDTA
·
2Na 270重量份，2,2联吡啶0.2重量份，100mg/L甲醛溶液240重量份，0.55mol/L的氢氧化钠溶液110重量份，粒径为3
‑
6μm的W粉1
‑
225重量份。
[0017]进一步地，本专利技术钨铜功能梯度材料的制备方法的步骤一中，第一钨铜复合粉体、第二钨铜复合粉体以及第三钨铜复合粉体的含Cu量依次增加。
[0018]进一步地，本专利技术钨铜功能梯度材料的制备方法的步骤一中，第一钨铜复合粉体的含Cu量为10％，第二钨铜复合粉体的含Cu量不低于20％，第三钨铜复合粉体的含Cu量不低于30％。
[0019]进一步地，本专利技术钨铜功能梯度材料的制备方法的步骤二中，第一预压处理、第二预压处理以及第三预压处理的预压压力为30
‑
45Mpa，预压时间为30s。
[0020]进一步地，本专利技术钨铜功能梯度材料的制备方法的步骤三中，真空环境的真空度为1
×
10
‑3Pa。
[0021]进一步地，本专利技术钨铜功能梯度材料的制备方法的步骤三中，烧结处理包括：快速升温至1350
‑
1500℃的烧结温度后保温，保温时长为1
‑
10min，保温后快速冷却。
[0022]进一步地，本专利技术钨铜功能梯度材料的制备方法的步骤三中，烧结处理的升温时间不大于2s，保温后冷却速率为100℃/s。
[0023]本专利技术钨铜功能梯度材料及其制备方法，具有以下有益效果：
[0024]1.本专利技术所制备的钨铜复合粉体纯度高且随着Cu的含量增多，Cu包覆W层越厚，效果越好。所制备的钨铜功能梯度材料的致密度不低于97.2％，常温热导率不低于201.2W
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400℃下的平均热膨胀系数不大于10.14
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‑1，具有良好的热力学性能，可作为热沉材料应用。
[0025]2.本专利技术的制备方法，通过复合生坯压制以及烧结处理的综合工艺设置，使得熔融Cu的粘度较低，促进W颗粒的重排，同时减少Cu的流失，在提高材料致密本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钨铜功能梯度材料，其特征在于，所述材料由三层钨铜梯度层构成，其中，三层钨铜梯度层中的含Cu量逐层依次增加，第一钨铜复合粉体的含Cu量为10％，第二钨铜复合粉体的含Cu量不低于20％，第三钨铜复合粉体的含Cu量不低于30％；所述材料的致密度不低于97.2％，常温热导率不低于201.2W
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400℃下的平均热膨胀系数不大于10.14
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‑1。2.一种钨铜功能梯度材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：步骤一、钨铜复合粉体制备以H2SO4·
5H2O为Cu源，EDTA
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2Na为络合剂，2,2联吡啶为稳定剂，甲醛溶液为还原剂，氢氧化钠溶液为pH值调节剂，将Cu离子还原在W粉末的表面，分别得到含Cu量不同的第一钨铜复合粉体、第二钨铜复合粉体和第三钨铜复合粉体；步骤二、复合生坯压制按质量比1:1:1对第一钨铜复合粉体、第二钨铜复合粉体和第三钨铜复合粉体进行配料；将第一钨铜复合粉体置于模具型腔中，在室温下进行第一预压处理，得到单层预压压坯；将第二钨铜复合粉体置于单层预压压坯上，在室温下进行第二预压处理，得到双层预压压坯；将第三钨铜复合粉体置于双层预压压坯上，在室温下进行第三预压处理，得到三层预压压坯；在室温下以350
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380Mpa的压力对三层预压压坯复压1min，得到复合生坯；步骤三、烧结处理在复合生坯的上方和下方设置碳纳米管薄膜，以通电的碳纳米管薄膜作为发热体，在真空环境中对复合生坯进行烧结处理，得到钨铜功能梯度材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏起，台运霄，杨建，许荡，魏邦争，程继贵，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：