纳米结构W-Cu基复合材料的制备、高温稳定性与性能分析

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W-Cu基复合材料因兼具W和Cu的优良特性,被广泛应用于国防、航空航天、微电子等高精尖领域。随着现代科技的快速发展,传统的W-Cu基复合材料难以满足更加苛刻的应用环境对高性能的需求。针对W-Cu基复合材料这种典型的不互溶材料体系,研究者们通过添加难熔金属碳化物、金属氧化物等纳米弥散颗粒,对其组织结构进行细化,但难以同时实现高致密且具有纳米结构的W-Cu基块体复合材料的制备,也因此缺乏对其力学性能和物理性能的系统研究。本研究以制备高致密、高热稳定性、高性能的纳米结构W-Cu基复合材料为主要目标,围绕W-Cu基复合材料的纳米粉体制备、烧结致密化、纳米结构调控以及室温和高温性能展开研究,以高热稳定性和高性能为导向对复合材料的微观结构和制备工艺进行优化,建立高热稳定性纳米结构W-Cu基复合材料的设计与制备方法,揭示复合材料的成分和组织结构稳定性对高温力学性能和高温耐磨损性能等的影响规律及作用机制。针对W-Cu基复合材料提出获得纳米结构高热稳定性、优越室温和高温综合性能的调控途径与科学机理。本文主要的研究内容及结果如下:通过两种不同的设计思路对初始粉末进行纳米化。一是利用阳离子表面活性剂对W-Cu复合粉末中W和Cu颗粒进行同步纳米化,制备出了物相纯净、两相分布均匀、平均粒径为30 nm且分散性良好的W-Cu纳米复合粉末。二是采用分步球磨方法在W相内部实现纳米化,制备获得了相分离元素和碳化物硬质相弥散分布于W相中的纳米结构W-Cu基复合粉末,平均晶粒尺寸约为10 nm。开发出高致密、纳米结构W-Cu基块体复合材料的烧结制备工艺,通过对烧结块体微观结构表征分析,揭示了纳米结构稳定化机制。利用相分离元素Cr在烧结过程中的偏聚效应,制备出W相平均晶粒尺寸降低至46 nm的W-Cu-Cr块体复合材料。进一步地,通过分布在W晶界处的纳米颗粒为相分离元素提供形核位点,提高析出相的均匀性。在烧结过程中通过相分离元素偏聚于晶界以及原位生成的稳定三元碳化物的共同作用下,W相平均晶粒尺寸进一步降低至39 nm。由此制备出微米尺度W相内具有纳米晶的多级结构W-Cu基块体复合材料。对制备的纳米结构W-Cu基复合材料进行硬度、耐磨性以及耐电弧烧蚀性能测试,揭示了纳米结构和添加组元对力学性能、室温耐磨性和耐电弧烧蚀性能的影响规律和作用机理。结果表明,在细晶强化、固溶强化和弥散强化的共同作用下,纳米结构W-Cu基复合材料的硬度达到粗晶W-Cu复合材料的2~3倍。高的硬度使得纳米结构W-Cu基复合材料具有良好的抵抗塑性变形能力,磨损后磨痕表面形成硬度较高的机械混合层,对基体起到良好的保护作用,主要的磨损机理为分层脱落。此外,纳米结构中高度弥散分布的具有低功函数的难熔Zr C和Cr组元对电弧起到有效的分散作用,使复合材料表现出优异的耐电弧烧蚀性能。对不同温度热处理后W相内纳米结构的演变行为进行研究,揭示了W-CuCr-Zr C复合材料中W纳米结构高温稳定化机制,以及良好的热稳定性对复合材料高温力学性能、高温耐磨性的影响机理。W-Cu-Cr-Zr C复合材料在1000℃热处理2 h后,W相仍然保持稳定的纳米结构;在900℃高温下抗压强度达到1150 MPa,约为粗晶材料的4倍,表明W相内纳米晶的稳定性对获得优异高温强度的重要性。研究确定了W相纳米晶发生粗化的临界条件,揭示了相转变过程中元素再分布导致的纳米晶热失稳机制。研究结果为开发具有优异高温力学性能和物理性能的W-Cu基复合材料提供了理论指导和创新技术。
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