專利名稱：一種鎢銅功能梯度材料的制備方法
技術領域：
本發明屬于材料工程領域，具體涉及一種鎢銅功能梯度材料的制備方法。
背景技術：
鎢銅合金是由互不相溶的鎢相和銅相組 成的假合金，該合金具備鎢材料的高熔點、抗電蝕、低膨脹系數、耐磨性等優點，同時又具備銅的高導電性和導熱性、塑性好、易加工的優點，被廣泛用作電子封裝中的熱沉、中高壓電觸點、電火花加工用電極、焊接電極等。在很多情況下，要求材料的一側耐受高溫、而另一側則要與導熱性好的銅或銅合金連接，由于鎢和銅的物理性能相差較大，單一成分的鎢銅合金很難緩解材料內部和界面上的熱應力，功能梯度材料(Functionally graded material,FGM)則可以較好地解決這一問題。鶴銅功能梯度材料的一側是高導電/高導熱的銅，另一側低膨脹、高熔點、高硬度的鎢，中間則為呈梯度變化的過渡層。這種非均勻的復合材料可以把材料各種不同的性能融于一體，具有熱應力緩釋功能，能充分發揮鎢、銅各自的本征特性，有較好的力學性能、抗燒蝕性、抗熱震性等綜合性能，非常適合作為超高壓電觸頭材料、大功率電子封裝熱沉、噴管喉襯、電子束靶等高科技領域中的器件及用作核聚變裝置中面向等離子體的偏濾器材料。現有技術中，鎢銅梯度材料的制備工藝主要有以下幾種方法I采用熔滲工藝，采用分層裝入粒度不同的鎢粉壓制、燒結獲取孔隙成梯度分布的多孔體，隨后采用熔滲的方法，將銅滲入到孔隙中(周張健等，一種熔滲-焊接法制備鎢/銅功能梯度材料的方法，專利申請號200410009297. 4)。該方法在制備梯度鎢骨架時，由于燒結收縮率的不同，部件形狀尺寸難于控制。此外，制備鎢骨架時采用的造孔劑均為有機物，分解時產生的氣體容易導致鎢坯的膨脹和破裂，且生成的孔隙分布不均會導致熔滲銅后出現富銅區和貧銅區。2采用等離子噴涂，將不同組分的鎢粉和銅粉的混合體逐層噴涂，制備功能梯度材料(葛昌純等，一種用作聚變堆偏濾器器件的鎢/銅梯度材料及其制備方法，專利申請號00136770)。該方法在成形鎢銅功能梯度材料時，大量殘余孔隙以及氧含量降低了材料的性能。此外，當需制備的部件面積較大時，等離子體噴涂需要逐行掃描噴涂，相鄰兩行之間的材料由于溫差較大，結合界面易出現缺陷，同時制備效率較低。3采用機械合金化方法制備不同組分的鎢銅復合粉，通過多坯料擠壓等方法制備功能梯度材料的生坯，再經脫脂燒結得到功能梯度材料(謝建新等，一種鎢銅梯度熱沉材料及其制備方法，專利申請號03142678. 6)。該方法在采用機械合金化制備鎢銅復合粉末時，容易引入雜質，同時制備效率較低。同時，機械合金化很難控制對不同組分的鎢銅復合粉末的粒度進行控制。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術缺陷，提供一種鎢銅功能梯度材料的制備方法。本發明的技術方案如下
一種鎢銅功能梯度材料的制備方法，包括如下步驟(I)將鎢前驅體和銅前驅體加入水中，配制成若干份具有不同鎢銅重量比的溶膠體系，在上述溶膠體系中還可以加入表面活性劑，將上述若干份溶膠體系通過干燥，得到相應的若干份鎢銅復合前驅體粉末；(2)將所述若干份鎢銅復合前驅體粉末 進行煅燒，完全轉化為相應的若干份氧化物復合粉末；(3)將所述若干份氧化物復合粉末進行還原，得到相應的若干份超細鎢銅復合粉末；(4)將上述若干份超細鎢銅復合粉末逐層鋪在模具內，壓制成生坯；(5)將上述生坯進行燒結，得到鎢銅功能梯度材料。在本發明的一個優選實施方案中，所述鎢前驅體為仲鎢酸銨或偏鎢酸銨，所述銅前驅體為硝酸銅。在本發明的一個優選實施方案中，所述步驟(I)的溶膠體系中還加有表面活性劑。在本發明的一個優選實施方案中，所述表面活性劑為檸檬酸、聚乙二醇和硬脂酸中的一種或幾種。在本發明的一個優選實施方案中，所述步驟(I)中的干燥為噴霧干燥，干燥溫度為12(Tl80°C。在本發明的一個優選實施方案中，所述步驟(2 )中的煅燒氣氛為空氣氣氛，煅燒溫度為50(T90(TC，煅燒時間為6(Tl80分鐘。在本發明的一個優選實施方案中，所述步驟(3)中的還原的氣氛為氫氣氣氛,還原溫度為 50(T900°C。 在本發明的一個優選實施方案中，所述步驟(4 )中的模具為模壓模具或冷等靜壓模具，壓制壓力為5(T500MPa。在本發明的一個優選實施方案中，所述步驟(5 )中的燒結氣氛為氫氣氣氛，燒結溫度為110(Tl60(TC，燒結時間為2 4小時。本發明的有益效果是I本發明的鎢銅功能梯度材料的制備方法，使得各種設計的鎢銅功能梯度材料可以在制造上得以實現，采用該方法制備的梯度材料各層均基本致密(致密度>95%)，各層的銅含量與設計值的偏差很小(〈O. 5%，質量分數)，材料的純度高(雜質含量)，層與層之間的界面結合沒有缺陷，過渡自然；2用本發明的方法制備出的鎢銅復合粉末的原始顆粒大小為400_800nm，鎢銅兩相均勻分布，基于該粉末制備出的鎢銅梯度材料的微區均勻性好，這對于材料和部件的性能(如熱導率)很重要；3在本發明的方法所采用的熱化學法制備鎢銅復合粉末的過程中，可以通過調整溶液的配制、噴霧以及還原工藝，實現對最終粉末的粒度控制，從而控制粉末的燒結活性；4本發明的方法采用冷等靜壓或模壓方法成形鎢銅功能梯度材料，一次燒結成形，工藝簡單，無需添加有機粘結劑或造孔劑，也不需要滲銅步驟，適合批量生產大尺寸的鎢銅功能梯度材料部件。


圖I為本發明實施例I中WlOCu超細鎢銅復合粉末的掃描電鏡圖；圖2為本發明實施例I中W32CU超細鎢銅復合粉末的掃描電鏡圖；圖3為本發明實施例I中W60CU超細鎢銅復合粉末的掃描電鏡圖；圖4為本發明實施例I所得鎢銅功能梯度材料的橫截面金 相圖；圖5為本發明實施例I所得鎢銅功能梯度材料中WlOCu層和W32Cu層的結合處的掃描電鏡圖；圖6為本發明實施例I所得鎢銅功能梯度材料中W32CU層和W60Cu層的結合處的掃描電鏡圖。
具體實施例方式以下通過具體實施方式
結合附圖對本發明的技術方案進行進一步的說明和描述。以下實施例中鎢銅合金的組分均為質量分數。實施例I本實施例用于制備一種3層鎢銅功能梯度材料，3層的銅含量分別為10%，32%，60%。具體實施步驟如下(I)將偏鎢酸銨、硝酸銅、水按16:5:21，10:13:23和1:4:5的質量比例分別配成3種溶液，均勻攪拌30分鐘后形成透明的溶膠體系，將上述溶膠在140° C進行噴霧干燥，得到3種不同鎢銅配比的鎢銅復合前軀體粉末。(2)將上述三種鎢銅復合前軀體粉末在空氣中進行鍛燒，煅燒溫度為600°C，煅燒時間為120分鐘，得到相應的三種氧化物復合粉末。(3)將上述三種氧化物復合粉末在H2中還原，還原溫度700°C，分別得到超細鎢銅復合粉末WlOCu (Cu含量為10%)，W32Cu (Cu含量為32%)和W60Cu (Cu含量為60%),上述各超細鎢銅復合粉末的掃描電鏡圖分別如圖I、圖2和圖3所示。(4)按照功能梯度材料設計的各層厚度，將相應質量的WlOCu，W32Cu和W60Cu超細鎢銅復合粉末逐層裝入等靜壓模具中，在150MPa下壓制成生坯。上述超細鎢銅復合粉末粒度分布見下表
權利要求
1.一種鎢銅功能梯度材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟 (1)將鎢前驅體和銅前驅體加入水中，配制成若干份具有不同鎢銅重量比的溶膠體系，在上述溶膠體系中還可以加入表面活性劑，將上述若干份溶膠體系通過干燥，得到相應的若干份鎢銅復合前驅體粉末； (2)將所述若干份鎢銅復合前驅體粉末進行煅燒，完全轉化為相應的若干份氧化物復合粉末； (3)將所述若干份氧化物復合粉末進行還原，得到相應的若干份超細鎢銅復合粉末； (4)將上述若干份超細鎢銅復合粉末逐層鋪在模具內，壓制成生坯； (5)將上述生坯進行燒結，得到鎢銅功能梯度材料。
2.如權利要求I所述的一種鎢銅功能梯度材料的制備方法，其特征在于所述鎢前驅體為仲鶴酸銨或偏鶴酸銨，所述銅前驅體為硝酸銅。
3.如權利要求2所述的一種鎢銅功能梯度材料的制備方法，其特征在于所述步驟(I)的溶膠體系中還加有表面活性劑。
4.如權利要求3所述的一種鎢銅功能梯度材料的制備方法，其特征在于所述表面活性劑為檸檬酸、聚乙二醇和硬脂酸中的一種或幾種。
5.如權利要求I至4中任一權利要求所述的一種鎢銅功能梯度材料的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中的干燥為噴霧干燥，干燥溫度為12(T180°C。
6.如權利要求I至4中任一權利要求所述的一種鎢銅功能梯度材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的煅燒氣氛為空氣氣氛，煅燒溫度為50(T90(TC。
7.如權利要求I至4中任一權利要求所述的一種鎢銅功能梯度材料的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中的還原的氣氛為氫氣氣氛，還原溫度為50(T90(TC。
8.如權利要求I至4中任一權利要求所述的一種鎢銅功能梯度材料的制備方法，其特征在于所述步驟(4)中的模具為模壓模具或冷等靜壓模具，壓制壓力為5(T500MPa。
9.如權利要求I至4中任一權利要求所述的一種鎢銅功能梯度材料的制備方法，其特征在于所述步驟(5)中的燒結氣氛為氫氣氣氛,燒結溫度為110(Tl600°C。
全文摘要
本發明公開了一種鎢銅功能梯度材料的制備方法。本發明的方法包括如下步驟(1)將鎢前驅體和銅前驅體加入水中，配制成若干份具有不同鎢銅重量比的溶膠體系，在上述溶膠體系中還可以加入表面活性劑，將上述若干份溶膠體系通過干燥，得到相應的若干份鎢銅復合前驅體粉末；(2)將所述若干份鎢銅復合前驅體粉末進行煅燒，完全轉化為相應的若干份氧化物復合粉末；(3)將所述若干份氧化物復合粉末進行還原，得到相應的若干份超細鎢銅復合粉末；(4)將上述若干份超細鎢銅復合粉末逐層鋪在模具內，壓制成生坯；(5)將上述生坯進行燒結，得到鎢銅功能梯度材料。本發明可實現各種設計的鎢銅功能梯度材料，所得材料層與層之間的界面無缺陷，過渡自然。
文檔編號B22F3/16GK102861914SQ20121023933
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月11日 優先權日2012年7月11日
發明者宋久鵬, 劉俊勇, 于洋, 莊志剛, 練友運, 劉翔 申請人:廈門虹鷺鎢鉬工業有限公司