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WC_p/Al复合材料的制备及性能研究

陈博  
【摘要】:我国是世界上钨资源最丰富的国家,也是世界上最大的钨生产国和出口国。我国的钨矿具有资源丰富、矿床类型较全、成矿作用多样等特点。钨作为一种难熔的稀有金属,因具有特有的物理、化学性能而被广泛应用于军工、电子、冶金、石油、航天等重要的工业领域。碳化钨是钨矿工业的重要产物,一般可通过碳热还原法制得。碳化钨粉一般多用于硬质合金生产材料,也可用于制备切削刀具、耐磨材料等方面。近年来,因含有高原子序数钨的碳化钨可用于屏蔽射线,从而在防护射线屏蔽领域得到了研究和应用。WC具有强度高、硬度高、弹性模量大以及化学稳定性等优点,国内外的研究者将其作为复合材料的增强相,能制备出具有优异力学性能的功能材料。同时铝基复合材料具有质量轻、比强度高等特点,将含有高原子序数的碳化钨作为硬质相增强铝基复合材料,使得该种材料具有射线屏蔽效果同时具有优良的力学性能,成为了目前研究的热点。本论文以碳化钨颗粒作为增强相,以工业纯铝作为复合材料基体,混料方式采用包覆法,通过粉末冶金工艺制备了一种颗粒增强铝基复合材料。传统的制备工艺中,增强相在基体中的均匀分布是人们总是在追求的目标。但是越来越多的研究表明,增强相均匀分布的金属基复合材料相比较单一的金属材料具有很多优异的性能,却很难获得理想的增强效果。人们从20世纪90年代就开始了优化增强相分布状态的工作,使得增强相的效果能够更好的提高复合材料的综合力学性能。本文通过优化机械混料的方式,对增强相颗粒在混合粉末中的分布情况及形貌特征进行观察分析,发现通过高能球磨混料工艺会造成密度大的增强相碳化钨在质量轻的铝基体中团聚,而通过包覆法混料的方式容易得到增强相在基体中准连续的网状结构组织。调整包覆法的工艺参数,对混料时增强相百分比、混料的转速、混料时间以及粘结剂含量的控制,制备出增强相在铝基复合材料中准连续网状分布的材料。这种材料将硬质相包覆在软基体中周围,从微观上看增强体与基体间并不是均匀分布,但从宏观上看,基体颗粒被增强相颗粒包围分布,整体宏观结构呈现网状结构般均匀分布的状态。采取冷压成形后再进行真空热压烧结的工艺制备出烧结样品,并表征了其性能。发现样品经过烧结后的致密度有了显著的提升,从86.2%提高到98.61%,当温度高于铝基体熔点660℃以上时会出现模具的渗铝现象。烧结压力对复合材料的致密度同样有较大影响,但压力在35MPa以上时,样品致密度提升不大。对烧结前后样品的物相分析表明样品界面反应不明显,随温度的升高出现了界面反应产物,并且温度越高反应产物越多。通过金相显微镜和扫描电镜分析样品表面形貌,发现烧结后的复合材料增强相呈准连续网状分布于基体中,对微区元素面扫描未发现有其他元素,推测深色区域即为生成的相WAl12。维氏硬度表明样品随温度的提高而增大,复合材料的硬度值由42提高到79左右,在烧结温度为660℃时样品的维氏硬度过高,不利于粉末冶金工艺中的后续加工处理。烧结压力对样品的维氏硬度同样有影响,但在35MPa时样品维氏硬度增加不多,已经达到上限。抗压强度表明样品由于真空热压烧结的加压并烧结致密,各个烧结温度和烧结压力下的样品抗压强度强度有不同程度的提高。


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