[发明专利]金属元素Ti/Cr与硬质相WC原位共掺杂的纳米晶钨铜基复合材料的制备方法

说明书

金属元素Ti/Cr与硬质相WC原位共掺杂的纳米晶钨铜基复合材料的制备方法，属于粉末冶金技术和难熔金属材料领域。在原位生成金属元素Ti/Cr固溶于W且WC弥散分布的纳米W‑Cu基复合粉末的基础上，利用放电等离子烧结技术制备得到成分、组织分布均匀的纳米晶W‑Cu基块体复合材料。制备得到的纳米晶W‑Cu基块体复合材料的平均晶粒尺寸小于100nm，且致密度大于98％。

技术领域

本发明涉及一种纳米晶钨铜基复合材料的制备方法，具体是原位反应制备金属元素Ti/Cr及WC相双掺杂的纳米晶钨铜基复合粉并进而制备纳米晶块体材料的方法，属于粉末冶金技术和难熔金属材料领域。

背景技术

钨铜(W-Cu)复合材料因兼具钨的高熔点、低热膨胀系数及优良的力学性能和铜良好的导电、导热性能已成为诸多工业领域不可或缺的重要材料，如微电子工业、精细化工、核能、航空航天等领域。现代工业的高速发展对W-Cu基复合材料的综合性能提出了更高要求。以高压断路器核心部件电触头的应用为例，自W-Cu基复合材料面世以来一直作为其关键原料。随着超高压电力运输发展需求的与日俱增，电触头在分断更大电流的过程中，需要在承载一定压应力及摩擦力的同时，电弧应更均匀的分散在触头表面以避免形成烧蚀坑导致触头失效。这就要求触头材料应当同时具有更高的强度、耐磨损和耐电弧烧蚀性能。

W-Cu基复合材料的性能与材料的成分、组织密切相关，所以可通过掺杂和调控材料组织来提升W-Cu基复合材料的综合性能。一方面，WC作为一种重要的陶瓷相，不但在室温下具有高的硬度和抗压强度，同时在高温下硬度与室温时基本相当，可以作为高温用材料的有效添加剂。此外，金属元素的添加，可有效细化晶粒组织，细晶材料往往比传统粗晶材料具有更高的硬度、耐磨性、强度等综合性能。另一方面，W-Cu基复合材料均匀的成分及组织分布有利于电弧的均匀分散以及力学性能的稳定。因此成分、组织的均匀分布对提高W-Cu基复合材料的综合性能起决定性作用。

根据文献检索，已有研究主要通过机械球磨等方式将WC或金属元素引入至W-Cu基复合材料。但是，WC和金属元素作为外加物时，制备过程中易发生团聚，造成添加物在基体中分布不均匀且与基体的界面结合较差，使得W-Cu基复合材料的综合性能提升效果有限。而且，以往研究中有诸多纳米尺度的W-Cu基复合粉末制备的报道，但鲜有纳米晶(≤100nm)组织的W-Cu基块体复合材料的报道。公开号为108262485的发明专利公布了一种可添加WC强化相的W基复合粉末的工业化原位合成方法，该方法可获得WC弥散分布于W-Cu基体，且与基体具有良好界面结合的纳米W-Cu基复合粉末。该方法不足之处在于仅依靠WC强化相的钉扎作用在烧结致密化的过程中难以获得准纳米晶的W-Cu基块体复合材料。如何使添加物与基体具有良好的界面结合的同时，获得材料成分、组织分布均匀的纳米晶W-Cu基块体复合材料，是难熔金属领域和粉末冶金领域的研发热点和技术挑战。

基于以上背景，本发明同时结合了原位反应和放电等离子烧结方法，在原位生成金属元素Ti/Cr固溶于W且WC弥散分布的纳米W-Cu基复合粉末的基础上，利用放电等离子烧结技术制备得到成分、组织分布均匀的纳米晶W-Cu基块体复合材料。

发明内容

本发明是针对纳米晶钨铜基块体复合材料的制备问题及解决成分、组织均匀分布的技术难题，提出了一种成分、组织分布均匀的金属元素Ti/Cr及硬质相WC共掺杂的纳米晶钨铜基块体复合材料的制备方法。