一種鎢基難熔碳化物復合材料的低溫制備方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著高溫技術的發(fā)展，要求材料具備優(yōu)良的高溫綜合性能以適應苛刻的高溫環(huán)境，如足夠的高溫強度、良好的抗熱震性及抗燒蝕等性能。難熔金屬-碳化物組成的復合材料就是綜合性能非常優(yōu)異的高溫材料，它利用材料性能的互補，使材料達到綜合優(yōu)化，其中W基難熔碳化物復合材料就是其中的一種。此類材料具有熱學、化學和力學兼容性好，理想的高溫強度和韌性以及抗熱震、耐燒蝕等優(yōu)良特點。相比傳統(tǒng)的粉末冶金方法，反應熔滲法是將液態(tài)金屬熔體無壓浸滲到具有一定形狀的多孔WC預制體中，是制備W基難熔碳化物復合材料的一種快速近凈成型方法，該方法可大大降低此類材料的制造成本。
[0003]目前，采用完全碳化的WC粉體制備多孔WC預制體用于反應熔滲效果不理想。一方面原因在于采用完全碳化的WC粉體制備的預制體和熔融合金反應時會由于反應機制受限而無法反應完全。有WC殘余的W基難熔碳化物復合材料高溫性能會大大下降?，F(xiàn)有工藝改良制備的無WC殘余的W基難熔碳化物復合材料組織不均勻，且力學性能普遍偏低。另一方面，目前采用完全碳化的WC粉體制備復合材料中W相含量較低，且不可以隨意改變復合材料中W相和難熔碳化物相的比例。因此，提出一種可行的改良方案對于低溫制備W基超高溫復合材料具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有反應熔滲法制備W基難熔碳化物超高溫復合材料會有WC殘余，導致復合材料高溫綜合性能下降且復合材料相比例不可控制的問題。本發(fā)明提出采用不完全碳化的WC粉體制備W基復合材料的新思路。
[0005]本發(fā)明采用不完全碳化的WC坯體低溫反應熔滲制備W基難熔碳化物復合材料。
[0006]本發(fā)明的一種鎢基難熔碳化物復合材料的低溫制備方法，是通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0007]一、按重量百分比稱取93.4%?99.0 %的鎢粉和1.0%?6.6%的炭黑在1200?1600°C碳化I?4h，得到不完全碳化的WC粉體；
[0008]二、向步驟一制備得到的不完全碳化的WC粉體中加入的5wt.%聚乙烯醇水溶液，機械攪拌2?4h，混合均勻之后，在干燥箱中進行恒溫干燥；其中，加入的5wt.%聚乙烯醇水溶液占WC粉體的質(zhì)量的5% ；
[0009]三、將步驟二中干燥之后的粉體在鋼模中進行預壓，壓力大小為10?20MPa，保壓時間為3min，得生還；
[0010]四、將步驟三中得到的生坯進行冷等靜壓，然后卸壓；其中，壓力大小為50?200MPa，保壓時間2min ；
[0011]五、將冷等靜壓之后的坯體在500°C氬氣流中灼燒2?4h，然后在1500?1700°C氬氣流中預燒2?4h，得到多孔WC預制體；
[0012]六、將步驟五中得到的多孔WC預制體用合金在1200°C?1400°C條件下進行熔滲，反應時間I?4h，完成鎢基難熔碳化物復合材料的制備。
[0013]本發(fā)明包含以下有益效果:
[0014]本發(fā)明在1200?1700°C的低溫下制備得到W基難熔碳化物復合材料。通過理論計算表明，可以通過調(diào)節(jié)鎢粉和炭黑的比例來調(diào)節(jié)復合材料中鎢和難熔碳化物兩相的比例。通過本發(fā)明制備得到的復合材料中不含有WC等殘留相，這能夠大大改善復合材料的高溫力學性能，尤其是抗熱震和抗燒蝕性能；復合材料抗彎強度400?700MPa，斷裂韌性達6?13MPa.m_1/2，力學性能得到了很大提高。
[0015]本發(fā)明采用不完全碳化的碳化鎢粉低溫反應熔滲制備復合材料，且可以通過改變配碳量來改變復合材料中W相和難熔碳化物相的比例。配碳量越低，得到復合材料中W相的含量越高。通過本發(fā)明制備的鎢基復合材料中WC殘留量大大降低，復合材料的綜合力學性能得到很大提高。
[0016]本發(fā)明通過控制升溫速率可以有效的防止升溫速率過快造成溫度場不均勻，從而造成碳化后組織不均勻，同時也避免升溫速率過慢造成晶粒的異常長大；隨爐冷卻是為了保證冷卻過程中WC不與空氣接觸，避免在冷卻過程中被氧化。
【附圖說明】
:
[0017]圖1為實驗1、實驗2、實驗3、實驗4中制備的不完全碳化的碳化鎢粉體的XRD圖像，其中，?為W的XRD圖，■為W2C的XRD圖，?為WC的XRD圖；
[0018]圖2為實驗1、實驗2、實驗3、實驗4中制備的W基復合材料的XRD圖像，其中，.為W的XRD圖，?為W2C的XRD圖，▲為WC的XRD圖，?為Cu的XRD圖，★為ZrC的XRD圖；
[0019]圖3為實驗I制備的W基復合材料斷口掃描圖片；
[0020]圖4為實驗2制備的W基復合材料斷口掃描圖片；
[0021]圖5為實驗3制備的W基復合材料斷口掃描圖片；
[0022]圖6為實驗4制備的W基復合材料斷口掃描圖片。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意組合。
[0024]【具體實施方式】一:本實施方式的一種鎢基難熔碳化物復合材料的低溫制備方法，是通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0025]一、按重量百分比稱取93.4%?99.0 %的鎢粉和1.0%?6.6%的炭黑在1200?1600°C碳化I?4h，得到不完全碳化的WC粉體；
[0026]二、向步驟一制備得到的不完全碳化的WC粉體中加入的5wt.%聚乙烯醇水溶液，機械攪拌2?4h，混合均勻之后，在干燥箱中進行恒溫干燥；其中，加入的5wt.%聚乙烯醇水溶液占WC粉體的質(zhì)量的5% ；
[0027]三、將步驟二中干燥之后的粉體在鋼模中進行預壓，壓力大小為10?20MPa，保壓時間為3min，得生還；
[0028]四、將步驟三中得到的生坯進行冷等靜壓，然后卸壓；其中，壓力大小為50?200MPa，保壓時間2min ；
[0029]五、將冷等靜壓之后的坯體在500°C氬氣流中灼燒2?4h，然后在1500?1700°C氬氣流中預燒2?4h，得到多孔WC預制體；
[0030]六、將步驟五中得到的多孔WC預制體用合金在1200°C?1400°C條件下進行熔滲，反應時間I?4h，完成鎢基難熔碳化物復合材料的制備。
[0031]本實施方式碳化時間是指溫度達到1200?1600°C后的保溫時間。
[0032]本實施方式步驟二中加入聚乙烯醇的目的是作為粘結粉體，便于后續(xù)坯體壓制。其中所用聚乙烯醇為質(zhì)量分數(shù)5 %的水溶液，加入量為5 %。
[0033]本實施方式采用不完全碳化的碳化鎢粉低溫反應熔滲制備復合材料，且可以通過改變配碳量來改變復合材料中W相和難熔碳化物相的比例。配碳量越低，得到復合材料中W相的含量越高。通過本發(fā)明制備的鎢基復合材料中WC殘留量大大降低，復合材料的綜合力學性能得到很大提高。
[0034]本實施方式通過控制升溫速率可以有效的防止升溫速率過快造成溫度場不均勻，從而造成碳化后組織不均勻，同時也避免升溫速率過慢造成晶粒的異常長大；隨爐冷卻是為了保證冷卻過程中WC不與空氣接觸，避免在冷卻過程中被氧化。
[0035]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:鎢粉的重量百分比為93.4 %?99 %、炭黑的質(zhì)量百分含量為I %?6.6 %。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0036]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:鎢粉的重量百分比為96%?99.0%、炭黑的質(zhì)量百分含量為1.0%?4.0%。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0037]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:鎢粉的重量百分比為97%?99.0%、炭黑的質(zhì)量百分含量為1.0%?3.0%。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0038]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:鎢粉的重量百分比為98%?99.0%、炭黑的質(zhì)量百分含量為1.0%?2.0%。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0039]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中的鎢粉和炭黑的純度均大于99.0%。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0040]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中的鎢粉和炭黑的純度均大于99.5 %。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0041]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中鎢粉和炭黑的粒度均為0.1?20 μ m。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0042]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中鎢粉和炭黑的粒度均為I?15 μ m。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0043]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中鎢粉和炭黑的粒度均為I?10 μ m。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0044]【具體實施方式】^^一:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中鎢粉和炭黑的粒度均為I?5 μπι。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0045]【具體實施方式】十二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中鎢粉和炭黑的粒度均為I?4μπι。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。