[发明专利]一种制备高致密度超细晶稀土氧化物掺杂钨合金的方法

说明书

一种制备高致密度超细晶稀土氧化物掺杂钨合金的方法，属于粉末冶金领域。制备方法为：以偏钨酸铵、稀土硝酸盐、燃料、硝酸铵为原料，采用低温溶液燃烧合成法制备氧化物复合粉末前驱体，然后使用H₂还原制得纳米稀土氧化物掺杂钨合金粉末；采用多步放电等离子烧结制备高致密度超细晶稀土氧化物掺杂钨合金。本发明采用的低温溶液燃烧合成法可达到分子级别的混合，得到的前驱体中氧化钨、稀土氧化物均匀混合，还原产物为合金粉末，无需后续特殊处理；SPS适用于难熔金属及难烧结材料的快速烧结，采用多步SPS可获得高致密度超细晶稀土氧化物掺杂钨合金，相对致密度可达96％～99％，平均晶粒尺寸≤300nm。本方法的原料简单易得，设备简单，工艺快捷，适合进行大规模生产。

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，涉及制备高致密度超细晶稀土氧化物掺杂钨合金的方法。

背景技术

钨(W)具有高熔点、高硬度，良好的高温强度、导热、导电性能，低的热膨胀系数，在国防军工、核工业及高温领域有很广泛的应用。然而，W的烧结温度通常高于2000℃，这使得其致密化比较困难，而且会造成晶粒长大。W粉的颗粒尺寸细化至纳米尺寸可以有效地降低W的烧结温度，但是纳米W粉在烧结过程中过会迅速长大，降低W合金力学性能。在W合金中添加稀土氧化物(La₂O₃、Y₂O₃、Lu₂O₃、Ce₂O₃等)颗粒可以阻止烧结过程中晶界的移动，达到细化晶粒尺寸的目的。

稀土氧化物掺杂W合金的制备方法通常采用粉末冶金法，其第一步是纳米稀土氧化物掺杂钨合金粉末的制备。目前，制备纳米稀土氧化物掺杂钨合金粉末常用的方法有机械合金化、共沉淀法、溶胶凝胶法及水热合成法等。机械合金化是将商业W粉与稀土氧化物颗粒进行高能球磨，获得纳米稀土氧化物掺杂钨合金纳米粉末。专利CN 101880808 A取微米级钨粉及纳米氧化钇颗粒经配料、机械合金化、放电等离子烧结制备超细晶粒钨基复合材料。但是机械合金化粉末粒径呈双峰分布，易引入杂质，影响烧结活性，导致脆化；颗粒内部储存畸变能量，导致烧结过程中晶粒异常长大。共沉淀法是一种湿化学法，主要包括水溶液配制、共沉淀、过滤、洗涤、煅烧、还原等工序。专利CN 106564927 A使用共沉淀法制备了超细氧化钇掺杂钨复合前驱体粉末。虽然这种方法可以实现分子间均匀混合，但是耗时较长，工艺复杂且耗能较高。低温溶液燃烧合成法也属于湿化学法，是－种快速、节能的制备方法，利用反应物之间发生的自蔓延放热反应进行材料合成，可实现分子间均匀混合，得到的前驱体中氧化钨、稀土氧化物均匀混合，还原产物为合金粉末，无需后续特殊处理，而且工艺简单，适合大规模生产。

W属于难烧结材料，使用传统烧结方法，很难获得高致密度，而且需要在高温下长时间烧结，这必将导致晶粒的长大，不利于制备高致密度超细晶粒W基合金。放电等离子烧结(Spark plasma sintering，SPS)是一种电流及机械压力辅助烧结技术，适用于难烧结材料；其有效的升温速率、较低的烧结温度及保温时间，晶粒长大可被有效抑制，可获得超细晶粒的W基材料。多步放电等离子烧结可以有效减少晶粒内部孔隙的产生，进一步抑制晶粒长大，提高致密度。

综上，我们要寻找一种高效、节能、环保的制备稀土氧化物掺杂钨合金的方法，低温溶液燃烧合成法与多步放电等离子烧结(SPS)相结合能满足上述需求，可制备出高致密度超细晶稀土氧化物掺杂钨合金。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术当中或能耗较大，消耗时间较长，或制备方法繁琐的缺点，提供一种简单快速制备高致密度超细晶稀土氧化物掺杂钨合金的方法，稀土氧化物的质量分数为0.5～5％。

本发明包括如下具体步骤：

(1)采用低温溶液燃烧合成法制备前驱体粉末，具体过程是：将偏钨酸铵、稀土硝酸盐、燃料、硝酸铵按一定的摩尔比例溶解于去离子水中配置成水溶液，将溶液加热至发生燃烧反应，得到蓬松的氧化钨稀土氧化物前驱体粉末。