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超细W-Cu复合粉体的制备及其烧结性能的研究

雷纯鹏  
【摘要】: W-Cu复合材料通常采用粉末冶金熔渗烧结或液相烧结法制取。但是,W-Cu互不相溶,W-Cu粉末坯体烧结性能很差。而超细、混合均匀的粉末能较大地改善粉末的烧结性能,对以颗粒重排机制为主导的W-Cu系液相烧结尤为如此。本文对超细W-Cu复合粉体的制备及烧结工艺对其烧结性能和组织结构的影响进行了研究,以探索一种制备高性能超细晶粒W-Cu复合材料的新途径。 在本论文的第三章中,我们采用了一种新颖的均相沉淀法,即蒸氨法来合成W-Cu复合粉。通过调整原始物料的化学计量比,蒸氨均相沉淀后,可以得到一定组成比的含有W、Cu的均相沉淀物。该沉淀物经洗涤、干燥、煅烧、分阶段还原处理后可获取一定含Cu量的超细W-Cu复合粉。为与蒸氨均相沉淀法所制备的W-Cu复合粉作性能对比试验,我们还以一定粒度的WO_3(0.301μm)和CuO(53.371μm)粉末,通过机械混合共还原的方法制得了W-Cu复合粉。研究结果表明,均相沉淀法制备的W-30wt.%Cu复合粉末颗粒明显呈球状,W、Cu组分呈均匀、弥散分布,透射电镜观测显示其粒径范围在50-200nm之间,为超细粉体。而机械混合氧化物共还原法制备的W-Cu复合粉颗粒较粗大,其粒径分布范围在0.1~1μm之间,颗粒形状也并不规则。 本论文的第四章分别以蒸氨均相沉淀物经煅烧、还原所制备的超细W-Cu复合粉和WO_3与CuO机械混合共还原所制得的W-Cu复合粉为原料,制备出了W-Cu复合材料,研究了烧结温度和烧结时间对烧结体的物理、力学性能及组织结构的影响。试验结果表明,与机械混合共还原W-Cu粉末的烧结体相比,均相沉淀法制备的超细W-Cu复合粉末烧结体具有较好的物理、力学性能。这一点在低温固相烧结的烧结体中体现得更为明显。随烧结温度的提高或烧结时间的延长,烧结体的致密度、硬度增加,抗弯强度、电导率都增大,于1150℃烧结90min可获得最好的性能。其中,均相沉淀法制备的超细W-Cu复合粉末烧结体的相对密度、硬度、抗弯强度、电导率(IACS)分别为98.06%、277. 42MPa、756.05 MPa和42.61%。均相沉淀法制备的超细W-Cu复合粉末压坯于1150℃下烧结90min后,所得烧结体中W的颗粒度约在0.1-0.8μm之间。液相烧结时,颗粒合并是W颗粒长大的主要机制。断口组织形貌显示均相沉淀 法制备的超细W一Cu复合粉末烧结体的断裂方式主要表现为穿晶韧性断裂,随 烧结温度的提高有转变为沿晶断裂为主要断裂方式的倾向。 为了进一步探讨制备高致密的超细晶粒W一Cu复合材料的新途径,本论文 第五章通过机械一热化学法制备出了超细W一Cu复合粉体,即对蒸氨均相沉淀 物锻烧、还原所得W一Cu复合粉进行共球磨处理获得了球磨W一Cu复合粉 (HP一M):对蒸氨均相沉淀物锻烧所得WO3一CuO复合粉进行球磨、还原处理获 得了w一Cu复合粉(M一HP)。对上述粉体的性能进行了表征,并研究了烧结温度 和烧结时间对烧结体的物理、力学性能及组织结构的影响。试验结果表明,在 制备W一Cu复合粉过程中引入球磨工艺,可以使最终W一Cu复合粉末粒度更加 细小,w、Cu组分分布更均匀。其中,经共球磨处理的w一cu复合粉末(HP一M) 粒度最细小,透射电镜观测显示其粒径范围在40一60 nm之间,颗粒近球形, W、Cu组分呈均匀、弥散分布。机械一热化学法制备的粉末的另一突出优点是 其烧结活性大,更利于烧结致密化,固相烧结就可获得高达%.11%的相对密 度,液相烧结更可获得接近100%的致密度。其中,球磨W一Cu复合粉(HP一M) 压坯在1150℃下烧结30min后,可获得相对密度大于99%的几乎全致密的超 细晶粒W一Cu复合材料,W的颗粒度小于0.5林m。此外,机械一热化学法制备 的超细晶粒W一Cu复合材料具有较突出的力学性能和物理性能。随烧结温度的 提高和烧结时间的延长,烧结体的硬度、抗弯强度、电导率随之增大。其中, 共球磨处理的w一Cu复合粉末(HP一M)压坯在1150℃下烧结90min所获烧结体 具有最好的烧结性能,其硬度、抗弯强度和电导率分别为325.58 MPa、1 106.62 MPa和42.99%。


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