氧化釔?鎢梯度材料及其制備方法和在制造稀土熔煉用坩堝中的應用與流程
本發明屬于材料領域，具體地說，本發明涉及一種氧化釔-鎢梯度材料及其制備方法和在制造稀土熔煉用坩堝中的應用。
技術背景
隨著科學的發展，一些具有特殊性能的金屬及合金材料被廣泛地用在汽車工業，航空航天、電氣電子、化工、石油、國防軍工等方面。包括鎂合金、鋁合金、鎳合金、銅合金、鈾合金等。對于這些合金材料，在使用過程中要求具有很高的純度以保證性能。因此，合金的熔煉具有重要的國民價值。液態金屬與坩堝在1000℃以上接觸時，要使液態金屬完全不被污染或者坩堝不被侵蝕是很難達到的。在整個合金熔煉過程中，坩堝與金屬熔體之間處于還原反應過程，還原反應的強烈程度取決于熔煉合金的化學成分、熔煉過程的溫度、持續時間、介質氣氛、坩堝材料及其致密度等因素。
根據美國專利出版物資料顯示，熔煉Ni-Si系合金的坩堝材料為HfO2、Er2O3、鋯石、Y2O3、CeO2和釔鋁石榴石中的一種。根據文獻報道熔煉金屬Ti或Hf的常用坩堝材料有ThO2或自耗爐水冷銅坩堝等；熔煉金屬Nb的坩堝材料有ThO2或電子轟擊爐等；熔煉金屬Cr的坩堝材料有ZrO2或ThO2；熔煉非金屬Si的坩堝材料有SiO2等。ThO2價格昂貴，而且有輕微的放射性，只有在特殊情況下才使用。BeO毒性極大，對人體健康和環境會造成嚴重的影響，一般情況下也不輕易使用。CaO、MgO和La2O3的主要問題是易吸水而形成氫氧化物。Y2O3特有的耐腐蝕性和高溫穩定性使其被廣泛作為反應容器或是耐火材料來使用。在美國能源部橡樹嶺Y-12工廠開發出了坩堝模具涂料，比較了Y2O3和其它常用的涂層。實驗結果表明Y2O3是熔鑄金屬鈾用石墨柑坩堝和模具最好的綜合涂層，比穩定的氧化鋯和鋯酸鈣的效果要好的多。張顯、成來飛等人分別對Y2O3、CaO、BeO、Ce2O3、MgO、ZrO2等涂層或內襯材料與金屬在高溫下的化學反應進行了熱力學計算。結果表明在1200K～1900K溫度區間內，Y2O3、CaO、BeO和Ce2O3不會與高溫合金發生化學反應，具有良好的熱化學穩定性，Y2O3對高溫合金的熱化學穩定性最好，其次依次為CaO、BeO和Ce2O3，MgO在接近1600K時，可發生反應。但是，Y2O3的熱膨脹系數較大，高溫力學性能較低，因此以純Y2O3作為高溫合金熔煉坩堝材料不能滿足使用要求。
純W具有高熱導率、低熱膨脹系數、優良的耐蝕性、抗熱沖擊以及抗中子輻照性等性能。但作為熔煉坩堝材料，由于金屬間的相互擴散對合金的熔煉和濃縮勢必造成一定的影響。
日本東芝公司研發了W-Y2O3的復合材料，這種材料具有的高強度和高耐腐蝕性，被用于熔煉稀土金屬，與普通的石墨坩堝相比，復合材料坩堝的使用壽命高出10倍；在1000℃以內，抗彎強度達到800MPa，超過純W的5倍，且熔煉后的稀土金屬雜質含量下降到十分之一。但是日本東芝公司研發的W-Y2O3復合材料在傳遞材料制備和服役過程中產生較高的熱應力，從而導致抗熱震性能和耐侵蝕性能不足。
中國專利申請CN200910046508.4公開了一種熔鈦用坩堝，該坩堝為在石墨坩堝的內表面涂覆有一復合涂層，該復合涂層為內層、過渡梯度涂層和外層三層結構，內層為SiC薄層，過渡層由高溫穩定化合物氧化釔、鋯酸鈣或硫化鈰中的一種與難熔金屬鎢、鉬或鉭中的一種組成，外層為高溫穩定化合物氧化釔、鋯酸鈣或硫化鈰中的一種，所述過渡梯度涂層是由高溫穩定化合物氧化釔、鋯酸鈣或硫化鈰中的一種的粉末與難熔金屬鎢、鉬或鉭中的一種的粉末以不同質量比混合并用熱噴涂法(激光熔覆、離子體噴涂等)制備的亞三層，從內向外，以高溫穩定化合物與難熔金屬質量比計，第一亞層為1∶3，第二亞層為1∶1，第三亞層為3∶1。但是這種坩堝是以石墨為基底，而且還需要在內層涂覆有SiC薄層，因而存在不能用于對C敏感的金屬或者合金的熔煉。另外，該坩堝中的過渡層中的亞三層中高溫穩定氧化物和難熔金屬的比例只是簡單升降，并沒有通過對目標材料梯度分布函數進行優化設計來實現目標材料熱應力的優化匹配，因此所述內層、過渡梯度涂層和外層之間以及各亞三層之間仍然存在明顯層間界面，導致在制備和使用過程中產生的熱應力不匹配現象，降低了整個材料構件的熱機械性能尤其是降低了構件的抗熱震性能。
為了提高使用溫度及高溫合金的提煉純度，并兼顧到抗熱震性能和耐侵蝕性能，本發明提出了采用具有層狀梯度過渡結構的Y2O3-W梯度材料以滿足以上性能的要求。Y2O3-W梯度材料可充分發揮Y2O3陶瓷的高溫熱化學穩定性和W金屬高強度、高導熱系數等優點；且具有層狀梯度過渡結構的Y2O3-W梯度材料可有效緩解和傳遞材料制備和服役過程中產生的熱應力，從而延長材料的使用壽命。
本發明所制備的材料可廣泛應用于高純合金熔煉領域，具有良好的抗熱震性能和抗侵蝕性能，且制備工藝簡單、能耗較低、環境友好，具有廣闊的產業化應用前景。
技術實現要素：
本發明在第一方面提供了一種氧化釔-鎢梯度材料，所述梯度材料包括氧化釔層和多個過渡層，所述氧化釔層位于所述多個過渡層中的氧化釔含量最大的層的一側，從所述多個過渡層中的鎢含量最大的層的一側開始計，所述多個過渡層包括第1、2、……、n-1層，所述氧化釔層為第n層；所述多個過渡層中第m過渡層的氧化釔的體積分數和鎢的體積分數根據如下公式計算：
CWm＝1-CYm (2)
其中：
CYm為第m過渡層中的氧化釔的體積分數；CWm為第m過渡層中的鎢的體積分數；m為1至(n-1)的自然數；l為所述多個過渡層的總厚度；n為氧化釔層和各過渡層的總層數且n≥3；Hi為第i層的厚度，Hm為第m過渡層的厚度。
本發明在第二方面提供了一種制備本發明第一方面所述的梯度材料的方法，所述方法包括如下步驟：
(a)根據所述梯度材料的尺寸和層數，稱取所需的鎢粉末和氧化釔粉末；
(b)在模具中使用氧化釔粉末和由氧化釔粉末和鎢粉末組成的復合粉末、鎢粉末分別鋪層氧化釔層、過渡層和鎢層，形成復合材料鋪層坯體，并在鋪層的同時或者之后進行成型和燒結，由此制得所述梯度材料。
本發明在第三方面還提供了第一方面所述的梯度材料或者第二方面所述方法制得的梯度材料在制造稀土熔煉用坩堝中的應用。
本發明的梯度材料在經過1200℃～1600℃下的循環熱震15～25次后，材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象；且材料能夠抵抗功率為50～80MW/m2的瞬間激光熱沖擊，在線平均電子密度為1～1.5×1013/cm3的等離子體原位輻照下材料表面無明顯的損傷，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。本發明在保證制備的梯度材料具有良好耐燒蝕性能同時，提高復合材料抗熱震性能、高溫力學性能和抗合金熔體侵蝕的能力，避免了稀土在熔煉過程中的污染，可廣泛應用于高純合金熔煉領域，尤其適于制造多功能熔煉坩堝特別是稀土熔煉用坩堝的核心部件。本發明具有工藝簡單、能耗較低、環境友好，具有廣闊的產業化應用前景。
附圖說明
圖1是本發明的梯度材料的一個具體實施方式的示意圖，最上層(與要熔煉的例如稀土金屬或者合金接觸的層)為氧化釔層(即第n層，在該實施方式中n＝9，即第9層)，過渡層包括n-1層即8層，從下往上計算依次為第1層、第2層，……，第n-1層(即第8層)，最下側為過渡層的富鎢側，過渡層中富鎢側的相對側為富氧化釔側。
具體實施方式
如上所述，本發明在在第一方面提供了所述梯度材料包括氧化釔層和多個過渡層，所述氧化釔層位于所述多個過渡層中的氧化釔含量最大的層的一側，從所述多個過渡層中的鎢含量最大的層的一側開始計，所述多個過渡層包括第1、2、……、n-1層，所述氧化釔層為第n層；所述多個過渡層中第m過渡層的氧化釔的體積分數和鎢的體積分數根據如下公式計算：
CWm＝1-CYm(2)
其中：
CYm為第m過渡層中的氧化釔的體積分數；CWm為第m過渡層中的鎢的體積分數；m為1至(n-1)的自然數；l為所述多個過渡層的總厚度；n為氧化釔層和各過渡層的總層數且n≥3；Hi為第i層的厚度，Hm為第m過渡層的厚度，xm為如公式(3)所示，即，第m過渡層在厚度方向上的中間位置距離所述多個過渡層中的鎢含量最大的層的外表面(遠離氧化釔層的表面)的距離。
本發明基于坩堝材料的尺寸、熱應力匹配、抗熱震性能和耐合金侵蝕性能的要求，還充分地考慮了氧化釔和鎢材料的性能，按照上述公式計算各過渡層中的氧化釔和鎢的用量和分布，從而制得了具有滿足預期性能要求的梯度材料。
在一些優選的實施方式中，所述梯度材料的總層數3≤n≤15，例如n為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15，又例如，5≤n≤11或5≤n≤10。
本發明對所述過渡層中的每一層的厚度沒有特別的限制，只要所述梯度材料能夠具有預期性能即可。但是優選的是，所述過渡層中每一層的厚度可以獨立地為0.5mm至3mm以及期間所有的數值或者子范圍，例如為0.5mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5cm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3.0mm。
本發明對所述氧化釔層的厚度沒有特別的限制，只要所述梯度材料能夠具有預期性能即可。但是優選的是，所述氧化釔層的厚度可以獨立地為0.5mm至3mm以及期間所有的數值或者子范圍，例如為0.5mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5cm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3.0mm。。
在一些可選的實施方式中，所述梯度材料可以在富鎢側還包括鎢層。本發明對所述鎢層的厚度沒有特別的限制，所述鎢層的厚度可以為0.01mm至3.0mm以及期間所有的數值或者子范圍，例如為0mm、0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3.0mm。
在一些實施方式中，所述鎢，例如所述鎢層(如果有的話)中的鎢，或者例如所述過渡層中的鎢(所述過渡層中的氧化釔不計算在內)，其純度可以獨立地為90質量％以上，例如可以90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或者99.9質量％以上，優選在98質量％以上。
在另外一些實施方式中，所述氧化釔，例如所述氧化釔層中的氧化釔或者所述過渡層中的氧化釔(所述過渡層中的鎢不計算在內)的純度可以獨立地為90質量％以上，例如可以90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或者99.9質量％以上，優選在98質量％以上。
本發明在第二方面提供了一種制備本發明第一方面所述的梯度材料的方法，所述方法包括如下步驟：
(a)根據所述梯度材料的尺寸和層數，稱取所需的鎢粉末和氧化釔粉末；
(b)在模具(例如石墨模具)中使用氧化釔粉末和由氧化釔粉末和鎢粉末組成的復合粉末、鎢粉末分別鋪層氧化釔層、過渡層和鎢層，形成復合材料鋪層坯體，并在鋪層的同時或者之后進行成型和燒結，由此制得所述梯度材料。
在一些實施方式中，用于形成所述鎢層(如果有的話)的鎢粉末的粒徑和用于形成所述過渡層的鎢粉末的粒徑獨立地為0.1μm至10μm，例如為0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10μm。
在另外一些實施方式中，用于形成所述氧化釔層的氧化釔粉末的粒徑和用于形成所述過渡層的氧化釔粉末的粒徑獨立地為0.1μm至8μm，例如為0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7或8μm。
在一些實施方式中，所述復合粉末可以通過球磨濕混方式制得，其中以分散介質和分散劑作為混合介質，混合時間為6小時至24小時(例如6、12、18或24小時)，然后例如通過在開放式烘干爐或減壓蒸餾系統中蒸發掉乙醇等混合介質來除去混合介質，從而得到混合粉末，然后將混合粉末過120目篩，得到混合均勻的復合粉末。
本發明對球磨濕混所使用的分散介質和分散劑沒有特別的限制，但是在在一些優選的實施方式中，所述分散介質可以選自由水、乙醇、甲醇和二甲苯組成的組。本發明對所述分散介質的用量沒有特別的限制，只用能夠使要分散的氧化釔粉末和鎢粉末能夠分散即可。在另外一些實施方式中，所述分散劑可以選自由聚乙烯、聚丙烯酸、甘油、以及由聚羧酸和聚硅氧烷共聚形成的共聚物組成的組。本發明對所述分散介質的用量沒有特別的限制，只用能夠使要分散的氧化釔粉末和/或鎢粉末能夠分散即可。但是在一些優選的實施方式中，所述分散液中的分散劑的使用濃度可以為0.5mol％至3mol％，例如為0.5、1、2、或3mol％。
在一些可選的實施方式中，所述復合粉末可以通過球磨干混方式制得，其中以陶瓷球或硬質合金球作為混合介質，混合時間為12小時至48小時(例如12、18、24、30、36、42或48小時)，然后過120目篩，得到混合均勻的復合粉末。
可選的是，可以在制得所述復合粉末之后對其進行造粒，以實現更好的成型。
在同時實現鋪層、成型和燒結的一些實施方式中，所述復合材料鋪層坯體可以通過等離子噴涂設備利用各粉末對相應的層進行鋪層，其中采用配有送粉器的等離子噴涂設備。所述等離子噴涂設備的噴槍的工作壓力可以為0.1～0.5MPa(例如為0.1、0.2、0.3、0.4或0.5MPa)，噴槍的移動速率可以為20～50mm/s(例如20mm/s、30mm/s、40mm/s或50mm/s)，送粉器的送粉量可以為5～20g/分鐘(例如5、10、15或20g/分鐘)，噴涂的溫度可以為1600～2000℃或者其間的任意的數值或者范圍，例如為1600、1700、1800、1900或2000℃，由此在鋪層的同時實現成型和燒結。
在依次進行鋪層、成型和燒結的實施方式中，所述鋪層可以通過手工鋪層、流延法鋪層等。例如，在流延法鋪層的情況中，可以在室溫下通過流延法進行鋪設，然后在80～150℃干燥(80、90、100、110、120、130、140或150℃)，并在120～350℃(120、150、200、250、300或350℃)實施排膠，從而鋪制所述復合材料鋪層坯體。然后，依次對所述坯體進行成型和燒結。所述成型可以通過室溫冷壓成型和/或冷等靜壓來實現。所述室溫冷壓成型的壓力可以為5至50MPa，例如為5、10、20、25、30、35、40、45或50MPa。所述冷等靜壓的壓力可以為50～200MPa(例如50、100、150或200MPa)。燒結可以通過熱壓燒結或無壓燒結來進行。熱壓燒結的燒結溫度可以為1600～2000℃或者其間的任意的數值或者范圍，例如為1600、1700、1800、1900或2000℃，熱壓燒結時可以采用單向加壓或雙向加壓的方式加壓，所施加的壓力為10MPa至50MPa或者其間的任意的數值或者范圍，例如為10、20、30、40或50MPa，燒結保溫時間為1小時至5小時，例如為1、2、3、4或5小時，降溫速率為5℃/分鐘至10℃/分鐘，例如5、6、7、8、9或10℃/分鐘，燒結氣氛可以為氬氣、氮氣或真空。無壓燒結的燒結溫度可以為1600～2000℃其間的任意的數值或者范圍，例如為1600、1700、1800、1900或2000℃。無壓燒結的保溫時間為1小時至5小時，例如為1、2、3、4或5小時，降溫速率為5℃/分鐘至10℃/分鐘，例如5、6、7、8、9或10℃/分鐘，燒結氣氛可以為氬氣、氮氣或真空。
本發明在第三方面還提供了第一方面所述的梯度材料或者第二方面所述方法制得的梯度材料在制造坩堝，例如用于高溫金屬或者合金熔煉用坩堝尤其是稀土熔煉用坩堝中的應用。
下文將通過舉例說明的方式對本發明進行進一步地說明，但是這些實施例僅出于說明目的，不應理解為是對本發明的保護范圍的限制。
實施例1
預先設定復合材料的層數n＝5，材料的最上層為Y2O3層，厚度為2mm。過渡層為4層，每層的厚度均為2mm。將平均粒徑為1μm、純度98％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.2μm、純度98％的鎢粉按照前文公式(1)至(3)計算出各過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：
76.6vol.％Y2O3-23.4vol.％W，39.0vol.％Y2O3-61.0vol.％W，
14.0vol.％Y2O3-86.0vol.％W，1.6vol.％Y2O3-98.4vol.％W，
按照預先設計的梯度漸變結構將各粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa；經200MPa冷等靜壓后在真空熱壓燒結爐中直接進行無壓燒結，制得Y2O3-W梯度材料。真空無壓燒結的工藝參數為：1800℃時保溫1小時，真空度為1.3×10-2Pa，降溫速度為5℃/分鐘。
復合材料的致密度達到96.5％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為578.0MPa。能夠抵抗功率約為50MW/m2的瞬間激光熱沖擊，而且在線平均電子密度為1～1.5×1013/cm3的等離子體原位輻照下材料表面無明顯的損傷。
實施例2
預先設定復合材料的層數n＝5，材料的最上層為Y2O3層，厚度為2mm。過渡層為4層，每層的厚度均為2mm。將平均粒徑為1μm、純度98％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.2μm、純度98％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：
76.6vol.％Y2O3-23.4vol.％W，39.0vol.％Y2O3-61.0vol.％W，
14.0vol.％Y2O3-86.0vol.％W，1.6vol.％Y2O3-98.4vol.％W，
按照預先設計的梯度漸變結構將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa。然后，在真空熱壓燒結爐中直接進行熱壓燒結，制得Y2O3-W梯度材料。真空熱壓燒結的工藝參數為：1500℃時保溫1小時，壓力為30MPa，真空度為1.3×10-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。
復合材料的致密度達到97.2％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為583.2MPa。在循環熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環熱震15次后，所制備的Y2O3-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。
實施例3
預先設定復合材料的層數n＝5，材料的最上層為Y2O3層，厚度為2mm。過渡層為4層，每層的厚度均為2mm。將平均粒徑為2μm、純度99％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.5μm、純度98％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：
76.6vol.％Y2O3-23.4vol.％W，39.0vol.％Y2O3-61.0vol.％W，
14.0vol.％Y2O3-86.0vol.％W，1.6vol.％Y2O3-98.4vol.％W，
按照預先設計的過渡層體積含量逐次放入熱噴涂的送粉器中，采用等離子噴涂工藝逐次逐層噴涂送粉，制得Y2O3-W梯度材料。工藝參數為：采用1600℃的電弧加熱，噴槍的工作壓力為0.5～1.0MPa，噴槍的移動速率為30mm/s，送粉器的送粉量為15g/分鐘。
復合材料的致密度達到95.0％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度可達573.0MPa。在循環熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環熱震15次后，所制備的Y2O3-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。
實施例4
預先設定復合材料的層數n＝9，材料的最上層為Y2O3層，厚度為2mm。過渡層為8層，每層的厚度均為1mm。將平均粒徑為2μm、純度99％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.5μm、純度98％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：
88.0vol.％Y2O3-12.0vol.％W，66.0vol.％Y2O3-34.0vol.％W，
47.3vol.％Y2O3-52.7vol.％W，31.6vol.％Y2O3-68.4vol.％W，
19.0vol.％Y2O3-81.0vol.％W，9.8vol.％Y2O3-90.2vol.％W，
3.5vol.％Y2O3-96.5vol.％W，0.4vol.％Y2O3-99.6vol.％W，
按照預先設計的梯度漸變結構將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa；經200MPa冷等靜壓后，在真空熱壓燒結爐中直接進行無壓燒結，制得Y2O3-W梯度材料。真空無壓燒結的工藝參數為：1900℃時保溫1小時，氬氣保護，降溫速度為10℃/分鐘。
復合材料的致密度達到98.0％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為592.0MPa。在循環熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環熱震20次后，所制備的Y2O3-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。
實施例5
預先設定復合材料的層數n＝9，材料的最上層為Y2O3層，厚度為2mm。過渡層為8層，每層的厚度均為1mm。將平均粒徑為4μm、純度99％的氧化釔粉末及平均粒徑為1μm、純度99％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：
88.0vol.％Y2O3-12.0vol.％W，66.0vol.％Y2O3-34.0vol.％W，
47.3vol.％Y2O3-52.7vol.％W，31.6vol.％Y2O3-68.4vol.％W，
19.0vol.％Y2O3-81.0vol.％W，9.8vol.％Y2O3-90.2vol.％W，
3.5vol.％Y2O3-96.5vol.％W，0.4vol.％Y2O3-99.6vol.％W，
按照預先設計的梯度漸變結構將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa。然后，在真空熱壓燒結爐中直接進行熱壓燒結，制得Y2O3-W梯度材料。真空熱壓燒結的工藝參數為：1600℃時保溫1小時，壓力為35MPa，氬氣保護，降溫速度為10℃/分鐘。
復合材料的致密度達到98.3％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為598.5MPa。能夠抵抗功率約為60MW/m2的瞬間激光熱沖擊，而且在線平均電子密度為1～1.5×1013/cm3的等離子體原位輻照下材料表面無明顯的損傷。
實施例6
預先設定復合材料的層數n＝9，材料的最上層為Y2O3層，厚度為2mm。過渡層為8層，每層的厚度均為1mm。將平均粒徑為4μm、純度99％的氧化釔粉末及平均粒徑為1μm、純度99％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：
88.0vol.％Y2O3-12.0vol.％W，66.0vol.％Y2O3-34.0vol.％W，
47.3vol.％Y2O3-52.7vol.％W，31.6vol.％Y2O3-68.4vol.％W，
19.0vol.％Y2O3-81.0vol.％W，9.8vol.％Y2O3-90.2vol.％W，
3.5vol.％Y2O3-96.5vol.％W，0.4vol.％Y2O3-99.6vol.％W，
按照預先設計的過渡層體積含量逐次放入熱噴涂的送粉器中，采用等離子噴涂工藝逐次逐層噴涂送粉，制得Y2O3-W梯度材料。工藝參數為：采用1700℃的電弧加熱，噴槍的工作壓力為0.5～1.0MPa，噴槍的移動速率為40mm/s，送粉器的送粉量為10g/分鐘。
復合材料的致密度達到96.6％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為588.5MPa。在循環熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環熱震20次后，所制備的Y2O3-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。
實施例7
預先設定復合材料的層數n＝11，材料的最上層為Y2O3層，厚度為2mm。過渡層為10層，每層的厚度均為0.8mm。將平均粒徑為5μm、純度99.9％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.8μm、純度99％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：
90.3vol.％Y2O3-9.7vol.％W，72.3vol.％Y2O3-27.7vol.％W，
56.3vol.％Y2O3-43.7vol.％W，42.3vol.％Y2O3-57.7vol.％W，
30.0vol.％Y2O3-70vol.％W，20.0vol.％Y2O3-80.0vol.％W，
12.3vol.％Y2O3-87.7vol.％W，6.3vol.％Y2O3-93.7vol.％W，
2.3vol.％Y2O3-97.7vol.％W，0.3vol.％Y2O3-99.7vol.％W，
按照預先設計的梯度漸變結構將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa。然后，在真空熱壓燒結爐中直接進行無壓燒結，制得Y2O3-W梯度材料。真空無壓燒結的工藝參數為：1850℃時保溫1小時，真空度為1.2×10-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。
復合材料的致密度達到98.5％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為596.5MPa。在循環熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環熱震25次后，所制備的Y2O3-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。
實施例8
預先設定復合材料的層數n＝11，材料的最上層為Y2O3層，厚度為2mm。過渡層為10層，每層的厚度均為0.8mm。將平均粒徑為5μm、純度99.9％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.8μm、純度99％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：
90.3vol.％Y2O3-9.7vol.％W，72.3vol.％Y2O3-27.7vol.％W，
56.3vol.％Y2O3-43.7vol.％W，42.3vol.％Y2O3-57.7vol.％W，
30.0vol.％Y2O3-70vol.％W，20.0vol.％Y2O3-80.0vol.％W，
12.3vol.％Y2O3-87.7vol.％W，6.3vol.％Y2O3-93.7vol.％W，
2.3vol.％Y2O3-97.7vol.％W，0.3vol.％Y2O3-99.7vol.％W，
按照預先設計的梯度漸變結構將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa。然后，在真空熱壓燒結爐中直接進行熱壓燒結，制得Y2O3-W梯度材料。真空熱壓燒結的工藝參數為：1600℃時保溫1小時，壓力為40MPa，真空度為1.2×10-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。
復合材料的致密度達到98.8％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為604.0MPa。在循環熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環熱震25次后，所制備的Y2O3-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。
實施例9
預先設定復合材料的層數n＝11，材料的最上層為Y2O3層，厚度為2mm。過渡層為10層，每層的厚度均為0.8mm。將平均粒徑為4μm、純度99.9％的氧化釔粉末及平均粒徑為1μm、純度99％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：
90.3vol.％Y2O3-9.7vol.％W，72.3vol.％Y2O3-27.7vol.％W，
56.3vol.％Y2O3-43.7vol.％W，42.3vol.％Y2O3-57.7vol.％W，
30.0vol.％Y2O3-70vol.％W，20.0vol.％Y2O3-80.0vol.％W，
12.3vol.％Y2O3-87.7vol.％W，6.3vol.％Y2O3-93.7vol.％W，
2.3vol.％Y2O3-97.7vol.％W，0.3vol.％Y2O3-99.7vol.％W，
按照預先設計的過渡層體積含量，采用流延成型工藝，在室溫下制備具有成分梯度變化的復合材料坯體。經過90℃干燥和280℃排膠工藝，制備出成分梯度變化的復合材料坯體。室溫下冷壓成型，壓力為5MPa。再經200MPa冷等靜壓后制備出較為致密的成分梯度變化的復合材料坯體。在真空熱壓燒結爐中直接進行無壓燒結，制得Y2O3-W梯度材料。真空無壓燒結的工藝參數為：1800℃時保溫1小時，真空度為1.3×10-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。
復合材料的致密度達到98.0％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為491.0MPa。能夠抵抗功率約為70MW/m2的瞬間激光熱沖擊，而且在線平均電子密度為1～1.5×1013/cm3的等離子體原位輻照下材料表面無明顯的損傷。
實施例10
預先設定復合材料的層數n＝5，材料的最上層為Y2O3層，厚度為2mm。過渡層為3層，每層的厚度均為2mm，按從Y2O3層開始計算的順序，過渡層的第一層、第二層和第三層中的氧化釔與鎢的體積配比依次為3:1、1:1和1:3。最下層為鎢層，厚度為2mm。將平均粒徑為1μm、純度98％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.2μm、純度98％的鎢粉按照如上體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：
75.0vol.％Y2O3-25.0vol.％W，
50.0vol.％Y2O3-50.0vol.％W，
25.0vol.％Y2O3-75.0vol.％W，
按照預先設計的梯度漸變結構將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa。然后，在真空熱壓燒結爐中直接進行熱壓燒結，制得Y2O3-W梯度材料。真空熱壓燒結的工藝參數為：1500℃時保溫1小時，壓力為30MPa，真空度為1.3×10-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。
復合材料的致密度達到90.4％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為230.1MPa。在循環熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環熱震8次后，所制備的Y2O3-W梯度材料發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能不能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。
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