[发明专利]一种WC/W复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种WC/W复合材料的制备方法，属于难熔金属制品制造领域，包括以下步骤：1)钨制品的清洁；2)准备碳源；3)装炉；4)高温处理：控制温度在1600～2100℃之间，保温时间2～18h；5)清洗干燥，得到WC/W复合材料。本发明制备的WC/W复合材料表面有原位反应生成的组织为致密柱状晶的WC层，WC/W复合材料既保留了高温下钨的高强度不宜碎的特点，又具备了碳化钨的高温化学性质稳定，高温抗腐蚀性能力强的特点。本发明的制备工艺流程简单，不需要添加复杂或昂贵的设备，WC层厚度容易调整控制，组织均匀，物相为单一，结晶度好，晶界能低，耐蚀性更好。WC层致密度高并且与钨基体结合紧密，界面干净，结合强度高，抗热震性好，使钨制品的服役寿命得以显著增加。

技术领域

本发明属于难熔金属制品制造领域，具体涉及一种WC/W复合材料的制备方法。

背景技术

钨具有高熔点(3410℃)、高密度、高温强度大、高温硬度高、热膨胀系数小等特性，以纯钨为原料制备的钨坩埚被广泛应用于稀土冶炼、石英玻璃、晶体生长等行业，在现代工业中发挥着重要的作用。具体的纯钨常被作为坩埚或其它异型件使用，广泛应用于稀土冶炼、石英玻璃、电子喷涂、晶体生长及熔体提纯等领域。当钨接触目标熔体时，尽管钨具有优异的耐高温性能和抗热振性能，但其在目标熔体中易存在晶界腐蚀问题，钨剥落后导致目标熔体物料受污染，目标产品中钨含量超标。

碳化钨是一种高熔点间隙固熔体，其硬度高，导热性好、高温耐腐蚀性能好，但其缺点是脆性大，难以单独应用，做硬质合金时通常都要添加粘结相金属才能服役。

常见WC制备法是利用W粉与C粉混合，在高温下氢气炉中反应生成WC，这并不适用于在钨制品表面制备WC。现有技术多采用涂层手段如等离子堆焊、离子注渗、激光熔覆、超音速火焰喷涂等在金属表面制备出碳化钨层，但其碳化钨层中通常需要添加辅助粘结相，服役温度只能在540℃点以下，难以胜任高达1800℃的稀土真空蒸馏提纯温度。另一方面现有研究都是在金属表面添加碳化物或者利用不同技术将碳化物直接沉积在金属表面，金属碳化物与金属之间结合力不强，并且可能存在应力不匹配的问题。同时，在沉积过程中添加的金属碳化物、金属粉末或碳粉末在沉积过程中有可能进入材料内部，影响金属的内部结构与性能。专利CN 201611094988A公开了一种将钨制品与渗碳剂一起装炉进行高真空渗碳从而在钨制品表面制备厚度为7～15μm WC层的方法。使用该方法在钨表面制备WC层时要求真空度小于10^-2Pa，高温温度1600～1800℃，保温时间3～4h后通入103P高纯氩气冷却。但该方法所制备出的WC层组织并非致密的柱状晶，WC层厚度较薄，并非单一WC物相，制备过程需要使用真空装置及氩气冷却，渗碳剂需要特殊处理，工艺流程和设备复杂、生产成本高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种WC/W复合材料的制备方法，通过简单有效的工艺流程，不添加多余设备即可低成本实现在钨制品表面原位制备出具有单一相成分的WC层，所制备的WC层微观组织为致密度更好、耐蚀性更好的柱状晶织织，保护钨制品与目标熔体不产生晶体腐蚀，延长钨制品服役寿命。

本发明提供一种WC/W复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)钨制品的预处理：对钨制品的表面进行清洗处理，烘干后备用；

(2)准备碳源：碳源为石墨粉，将石墨粉铺设于石墨坩埚中，在石墨粉上铺设尺寸小于石墨坩埚的石墨板或石墨毡；

(3)装炉：将钨制品放置于石墨板或石墨毡上，钨制品不与石墨粉直接接触，钨制品与石墨坩埚之间留有缝隙，然后盖上石墨盖，一起移入高温炉内；

(4)高温处理：通氢气排干净炉内空气，加热升温，控制温度在1600～2100℃之间，保温时间2～18h，保温结束随炉冷却至卸炉温度；

(5)清洗：往炉内通入氮气，待氢气排干净后从炉中取出表面包覆一层碳化钨的钨制品，然后清洗并吹干，得到所述WC/W复合材料。