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纳米级钨基复合粉末的制备及其合金特性研究

马运柱  
【摘要】:高密度钨基合金由于具有一系列优异的物理、力学性能,如密度高、强度高、延性好等,被广泛地应用于动能穿甲弹、平衡配重块、放射屏蔽和电触头材料,在国防军工、航空航天等领域中具有不可替代的作用。随着科学技术的飞速发展,对材料性能提出了更为苛刻的要求,制备高性能钨基合金材料已成为当今世界致力研究的热点之一。而制备高性能钨基合金材料的核心在于:粉末原料的纳米化及其合金的特性研究。本论文围绕这一核心课题,对纳米级W-Ni-Fe复合粉末的制备及其合金特性等方面进行了较系统、较深入的研究。 对含(W,Ni,Fe)盐溶胶体系的电化学特征进行了深入研究。研究了体系Zeta电位、pH值和所加表面活性剂,对含(W,Ni,Fe)盐溶胶体系的配制、颗粒分散性和稳定性的影响。着重研究了十六烷基三甲基溴化铵、N,N—二甲基甲酰胺和聚乙二醇-1000这三种表面活性剂对颗粒表面静电位阻、空间位阻及静电-空间位阻协调作用的影响。首次采用配置溶胶并进行喷雾干燥来制备(W,Ni,Fe)前驱体复合氧化物粉末。深入探讨了表面活性剂在喷雾干燥过程中的作用机制,并提出了颗粒在干燥过程中所受毛细管作用力的示意图模型。 对所制备的(W,Ni,Fe)复合氧化物粉末的还原机理进行了大量研究。结果表明:还原温度与时间均对W—Ni—Fe复合粉末的特性有显著的影响,其最佳还原参数是:温度700℃、时间90min,此时可得到颗粒的平均Fsss粒度小于0.61μm、平均BET粒度小于100nm、晶粒尺寸小于30nm、氧含量小于0.23%,且颗粒分散均匀、绝大部分为球形的纳米级W-Ni-Fe复合粉末。同时指出颗粒的长大机理主要是由还原过程中化学气相迁移所控制,随还原过程的进行,所生成的水蒸汽逐渐增多,钨的氧化物与水蒸汽化合成易挥发的水合物WO_x·nH_2O(一般认为是WO_2(OH)_2),而后通过气相迁移,沉积在低价氧化钨或金属钨粉的颗粒表面,导致颗粒长大,因此,采用两步还原和添加稀土La、Y来抑制其长大。所加稀土以钨酸盐La(Ni_(0.75)W(0.25))O_3或Y(Ni_(0.75)W_(0.25))O_3的形式附着在钨颗粒或钨氧化物颗粒表面,阻止了还原过程中钨的氧化物与水蒸汽化合生成易挥发水合物WO_2(OH)_2的生成速度,从而减少了其气相迁移,有效地阻止了粉末颗粒的长大。当稀土元素质量百分数在0-0.8%范围内(占90W-7Ni-3Fe复合粉末的质量百分数),随着稀土元素含量的增大,还原粉末特性有显著改善;添加相同含量稀土元素时,对粉末特性影响程度的大小顺序是YLa-YLa。 采用DTA仪测得纳米级90W-Ni-Fe复合粉末体系中固-液共存的温度区间是1341.2℃-1365.8℃,比传统粉末的温度区间降低了70-90℃。研究了烧结温度、时间对纳米粉90W-Ni-Fe合金烧结特性的影响,在此基础上建立了该合金的低温烧结制度。 深入研究了稀土元素对纳米粉90W-Ni-Fe合金性能和显微结构的影响,建立了合金中钨颗粒的三层微观结构模型图,并据此较好地解释了稀土元素与合金性能和显微


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