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钨基合金材料是以金属钨为基体,添加熔点较低的金属镍、铁(钨基高比重合金)或者铜(钨铜合金材料)等元素制备的复合材料。钨基合金材料具有许多优良的特点,如高的密度、较高的导电、导热系数、优良的耐高温性能以及对X射线和γ射线高吸收性等,因而被广泛应用于电触头材料、热沉材料、雷达防护罩、高能穿甲弹等领域。
钨基合金材料的性能与其致密度和微观组织均匀性相关。由于W与Cu的熔点相差极大,且两相互不相溶,采用传统粉末冶金液相烧结难以获得完全致密的W-Cu复合材料。而W-Ni-Fe合金烧结时生成的液相虽对金属W有很好的溶解度和润湿性,但液相烧结时晶粒容易长大,降低了烧结体的性能。采用超细乃至纳米粒径的W—Cu和W-Ni-Fe原料粉末可以提高合金体系的烧结活性,在较低温度下获得高致密且微观组织结构均匀的W基合金材料。因此,近些年来超细W基粉末的合成制备成为研究的热点。
共沉淀-还原法具有原料成本低、设备和工艺简单等优点。本论文第二章,采用共沉淀法获得不同钨铜元素比的沉淀前驱物粉体,经过煅烧和氢气还原,最终得到了不同钨、铜元素质量比的超细复合粉末。甘氨酸-硝酸盐燃烧法是合成超细陶瓷粉体的常用方法之一。该方法制备的粉末纯度高、粒径小、组分均匀,被广泛应用于多种纳米复合粉体的合成与制备,但迄今尚未见使用此方法制备W基超细粉末的报道。本论文的第四至第六章分别采用甘氨酸-硝酸盐燃烧-还原法,制备了超细W-Cu和W-Ni-Fe复合粉末,并获得了接近全致密的W-Cu烧结体。同时研究了WO3-CuO复合氧化物粉的还原活化能。
本文的主要研究成果如下:
1.通过沉淀-共还原法可以制得平均粒度约为200nm的W—Cu粉末。混合溶液中的不同钨铜元素质量比影响煅烧产物的物相,当W与Cu的质量比为76比24时,煅烧产物只有CuWO4物相存在。还原温度、氢气流速度对煅烧产物的还原过程以及W-Cu还原粉末晶粒尺寸大小有很大的影响。
2.采用甘氨酸-硝酸盐燃烧-还原法制备的W-20Cu复合粉末,平均颗粒尺寸为200nm。热重分析的结果表明,还原开始阶段和终了阶段的还原活化能分别为41.66kJ/mol和106.43kJ/mol。数学模拟分析说明还原开始阶段和终了阶段分别受气体扩散-界面化学反应机制和界面化学反应机制控制。
3.甘氨酸-硝酸盐燃烧-还原法制备的W-20Cu超细粉末,具有良好的烧结活性,粉末经过压制成形,H2气氛下1200℃烧结2h后,其相对密度达到98.51%,烧结体的电导率和维氏硬度分别为40.13%IACS和278HV。从室温至450℃的热膨胀系数在7.2×10-6K-1到8.6×10-6K-1之间。
4.采用甘氨酸-硝酸盐燃烧-还原法制备的W-Ni-Fe超细粉末的平均粒径为100-200nm,EDS分析的结果显示W、Ni和Fe的质量百分比分别是89.43%、7.33%和3.24%,与设计成分(W-7Ni-3Fe)非常接近。