[发明专利]一种高致密度纳米晶钨铜基块体复合材料的低温快速制备方法

说明书

一种高致密度纳米晶钨铜基块体复合材料的低温快速制备方法，属于难熔金属和粉末冶金技术领域。采用原材料钨粉、碳化锆、铬、铜，进行球磨，利用晶界元素偏聚和纳米弥散颗粒的共同作用，结合放电等离子快速烧结方法，在低温、高压的条件下实现快速固相烧结致密化，成功制备出致密度在95％以上，平均晶粒尺寸均在100纳米以下的Cu含量可调的系列钨铜基块体复合材料。本发明解决了多年来难熔金属和有色合金领域存在的烧结过程中材料致密性和晶粒尺寸长大这一对矛盾问题。

技术领域

本发明涉及一种兼具高致密度和纳米晶组织的钨铜基块体复合材料的低温快速制备方法，可制备不同铜含量的致密纳米晶钨铜基复合材料，属于难熔金属和粉末冶金技术领域。

背景技术

钨铜基复合材料因同时具备钨和铜的特点优势，具有高的强度、硬度、导电导热等优良性能，已经成为国民经济和军事、航空航天等领域必不可少的材料，如电极电触头材料、热沉封装材料、火箭喷嘴、导弹喷管喉衬、燃气舵等高温部件。随着工业应用的拓广和高端需求的出现，各种极端、苛刻的服役环境对部件器件的综合性能提出了更高的要求，如高温下更好的热稳定性、更高的强度、更强的耐磨性，等等。目前，传统的微米级粗晶和亚微米级超细晶钨铜材料已很难满足高温下高性能的要求。相比之下，纳米晶组织的钨铜基复合材料比传统粗晶组织的材料具有更高的硬度、耐磨性、强度、抗热震性等，可望解决高温高性能需求这一难题。根据文献检索，以往研究中已能制备出纳米尺度的钨铜复合粉末，但未见关于兼具高致密度和纳米晶组织的钨铜基块体复合材料的报道。如何用粉末冶金的方法获得既有高的致密性又具有真正纳米晶组织的块体材料(即致密度在95％以上，平均晶粒尺寸在100纳米以下；以前有文献报道，将平均晶粒尺寸在200nm以下的材料称为纳米材料，是不准确的)，是难熔金属和有色合金领域新的研发热点和技术挑战。

基于以上背景，本发明提出了一种兼具高致密度和纳米晶组织的钨铜基块体复合材料的低温快速制备方法。利用晶界元素偏聚和纳米弥散颗粒的共同作用，结合放电等离子快速烧结方法，在低温、高压的条件下实现快速固相烧结致密化，成功制备出致密度大于95％，平均晶粒尺寸均在100纳米以下(基本上都在50nm左右)的Cu含量可调的系列钨铜基块体复合材料。本发明解决了多年来难熔金属和有色合金领域存在的烧结过程中材料致密性和晶粒尺寸长大这一对矛盾问题。

发明内容

本发明针对钨铜基块体复合材料制备中致密度和晶粒长大难以统一的矛盾问题，提出了一种兼具高致密度和纳米晶组织的钨铜基块体复合材料的低温快速制备方法。

本发明提供的制备致密纳米晶钨铜基块体复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以钨粉、碳化锆、铬、铜为原料，按照质量比为(56.05～84.55)：1：(2.95～4.45)：(10～40)进行成分设计，首先按照化学计量比进行钨粉、铬和碳化锆的配料，并将其进行球磨，采用行星式球磨机、硬质合金罐及磨球，优选球料比为(15～25):1，氩气作为保护气氛，优选球磨转速为400～550r/min，为避免长时间高能球磨导致罐内温度过高，球磨分段进行，每磨60～90min停15～30min；每隔10～15h在真空或充氩气的手套箱内对球磨罐壁进行刮粉处理，总有效球磨时间为48～78h；

(2)在步骤(1)得到的混合粉中加入铜粉，无水乙醇作为球磨介质，优选球料比为(3～8):1，球磨转速为100～150r/min，球磨时间为6～12h；

(3)将步骤(2)得到的粉末在干燥箱中干燥10～15h，取适量粉末装入石墨模具中，粉末与模具之间用碳纸隔开，将粉末进行预压，压力为10～20MPa，随后在放电等离子烧结室中完成装模；