專利名稱：一種制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，屬于高性能陶瓷金屬復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高熔點(diǎn)材料(比如過渡金屬單質(zhì)鎢、鉬、鈮、錸、鋨、銥、鉭等，過渡金屬單質(zhì)的合金，過渡金屬單質(zhì)的碳化物、硼化物和氮化物碳化鋯、碳化鉭、碳化鎢、碳化釩、硼化鉿、硼化鋯、硼化鉻、硼化釩、氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿、氮化鉭等，固溶物的碳化物、氮化物、硼化物系列(Hf, Ta) C、(Ta，Ti) C、(Zr, Ti) N、(Zr, Hf) B2 等；三元化合物系列Hf2A 14C5、Hf3AI4C6、 Zr3Al3C5, Zr2Al3C4, Ti3SiC2等，以及碳化硼、碳化硅、氮化硅、氮化硼等單相陶瓷材料)由于存在較高比例的共價(jià)鍵而通常具有較高的硬度、楊氏模量和較高的機(jī)械強(qiáng)度，但是這類材料也往往存在著斷裂韌性較低、導(dǎo)熱率不高等缺點(diǎn)。低熔點(diǎn)材料(比如金屬單質(zhì)系列鋁、 銅、鎂、鈣、鋅等，金屬合金系列鎂合金、鋁合金、鈦合金、鋼合金等)通常具有較好的斷裂韌性、延展性、較高的熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)。高熔點(diǎn)材料與低熔點(diǎn)材料以功能梯度的方式進(jìn)行復(fù)合，既能充分發(fā)揮兩者優(yōu)異的性能，又能彌補(bǔ)兩者的不足。比如，B4c/Al復(fù)合材料既具有B4C超高的硬度(30GPa)、極低的密度(2. 52g/cm3)，又具有Al的高熱導(dǎo)率、良好的延展性和低密度等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個(gè)體防護(hù)、核反應(yīng)堆、計(jì)算機(jī)硬盤襯底、硬盤驅(qū)動(dòng)器、耐磨部件等領(lǐng)域。W/Cu、M0/Cu、W/ 不銹鋼、WC/Cu等功能梯度復(fù)合材料中的W、Mo、WC具有超高的熔點(diǎn)和良好的耐中子輻照損傷等性能，而Cu則具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率，這些優(yōu)異性能的綜合使得這一系列材料有望用作為熱核聚變反應(yīng)堆的第一壁材料。這一類具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料通常是以兩步浸滲的工藝制備而成，即首先以不同粒度的高熔點(diǎn)組分顆粒進(jìn)行級(jí)配，然后再經(jīng)燒結(jié)得到孔隙度梯度變化的高熔點(diǎn)組分材料(1、1(、氏(等)的坯體；最后，在真空條件下以氣壓或者機(jī)械壓力將熔融的低熔點(diǎn)組份材料(Cu、Al等)擠壓進(jìn)入高熔點(diǎn)的多孔坯體。這種兩步法制備方法存在著工藝復(fù)雜、對(duì)設(shè)備要求高的不足。^iang和Hulbert分別報(bào)道了以離心澆注和放電等離子體燒結(jié)的方式制備孔隙梯度變化的B4C陶瓷坯體。但是，以這些工藝仍然需要進(jìn)一步以浸滲法將Al熔體擠壓進(jìn)入B4C陶瓷坯體才能制備得到較為致密的B4C/A1 功能梯度復(fù)合材料。周張健報(bào)道了以熔滲焊接法制備W/Cu功能梯度復(fù)合材料，以W片焊接到W/Cu功能梯度變化的復(fù)合材料上。這些工藝也都仍然存在著同樣的工藝復(fù)雜、成本高昂的問題。凌云漢等人利用B4C和Cu兩者間電導(dǎo)率以及熔點(diǎn)相差較大的特點(diǎn)，報(bào)道了以通電燒結(jié)的方式制備SiC/Cu和B4C/Cu功能梯度復(fù)合材料，但是為了防止低熔點(diǎn)的熔融Cu溢出， 就必須使用高達(dá)2 4GPa的超高壓進(jìn)行燒結(jié)以縮短燒結(jié)時(shí)間。此外，人們還發(fā)展了以等離子體噴涂、激光熔覆技術(shù)、化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積等工藝以制備W/Cu和B4C/Cu等功能梯度復(fù)合材料，以這些工藝制備的功能梯度復(fù)合材料性能優(yōu)異，但是存在著制備周期長、 成本高昂等不足。因此有必要探索一種新的工藝相對(duì)簡單，成本相對(duì)低廉的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料存在的工藝復(fù)雜、成本高昂、制備周期長、對(duì)設(shè)備要求高等問題，本發(fā)明提供一種具有工序簡單、設(shè)備要求低、制備周期短、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，包括如下步驟a)配制各組分層的粉體，所述的組分層包括最外層的高熔點(diǎn)組分層、最內(nèi)層的低熔點(diǎn)組分層及中間的過渡層；b)在石墨模具內(nèi)放置偶數(shù)個(gè)樣品，相鄰兩個(gè)樣品間組分的過渡順序沿著模具軸向呈上下對(duì)稱，在相鄰兩個(gè)樣品的接觸界面處以石墨片或者碳?xì)指糸_；采用過渡層與低熔點(diǎn)組分層交替層鋪的方式鋪放各組分層粉體，且每個(gè)樣品組分層的鋪放順序應(yīng)保證與石墨沖頭接觸的組分層為高熔點(diǎn)組分層；在高熔點(diǎn)組分層與石墨沖頭之間鋪設(shè)有碳紙；c) 一步燒結(jié)采用放電等離子體快速燒結(jié)工藝，其中升溫速率為10 1000°C / min，燒結(jié)溫度低于高熔點(diǎn)組分的熔點(diǎn)，且高于低熔點(diǎn)組分的熔點(diǎn)，壓力為5 1500MPa，保溫時(shí)間為0 30分鐘。在相鄰兩個(gè)樣品的接觸界面處均為低熔點(diǎn)組分層或均為高熔點(diǎn)組分層。所述的高熔點(diǎn)組分層推薦由過渡金屬單質(zhì)(如鎢、鉬、鈮、錸、鋨、銥、鉭等)，過渡金屬的合金，過渡金屬的碳化物(如碳化鋯、碳化鉭、碳化鎢、碳化釩等)、硼化物(如硼化鉿、硼化鋯、硼化鉻、硼化釩等)或氮化物(如氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿、氮化鉭等)，碳化物、氮化物、硼化物的固溶物(如(Hf，Ta) C、(Ta, Ti) C、(Zr，Ti) N、(Zr，Hf) B2等)，過渡金屬與硼、碳、氮所形成的三元化合物(如Hf2Al4C5、Hf3Al4C6、&3Al3C5、Zr2Al3C4、Ti3SiC2等)， 及碳化硼、碳化硅、氮化硅或氮化硼單相陶瓷中的任意一種或多種材料組成。所述的低熔點(diǎn)組分層推薦由金屬鋁組成。所述的過渡層推薦由金屬單質(zhì)(如鋁、銅、鎂、鈣、鋅等)和/或金屬合金(如鎂合金、鋁合金、鈦合金、鋼合金等)中的任意一種或多種材料組成。各組分層的層厚及組分配比根據(jù)實(shí)際需要以及材料特性調(diào)整。所述的高熔點(diǎn)組分層的粉體粒徑推薦為IOnm 1000 μ m,優(yōu)選為1 100 μ m。各組分層中還可添加第三相，所述的第三相可以為高熔點(diǎn)燒結(jié)助劑、物相穩(wěn)定劑或增韌補(bǔ)強(qiáng)劑中的任意一種或多種。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法只需要將各種組分粉體按照一定比例混合好，然后按照一定順序?qū)愉?，以常?guī)的一步燒結(jié)工藝就可以在幾分鐘之內(nèi)的時(shí)間內(nèi)同時(shí)制備得到兩塊樣品，大大簡化了功能梯度復(fù)合材料的制備工序和降低了設(shè)備要求；同時(shí)，由于每次的燒結(jié)主要使用碳紙、碳?xì)只虺Ｒ?guī)的石墨片，對(duì)消耗品的要求也很低，使其在制備工藝和制備成本上具有競(jìng)爭力。本發(fā)明通過對(duì)放電等離子體快速燒結(jié)技術(shù)以及陶瓷與金屬間良好的高溫浸潤性等兩個(gè)特性的充分結(jié)合，以及金屬粉體層、具有不同顆粒度的陶瓷層以及金屬粉體和陶瓷混合層相互層鋪工藝的合理應(yīng)用，可以以一步法燒結(jié)制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料，有效解決了現(xiàn)有的兩步燒結(jié)浸滲法、熔滲焊接法、高壓通電燒結(jié)法等制備工藝存在的工序復(fù)雜、對(duì)設(shè)備要求高，等離子體噴涂、激光熔覆、化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積等工藝成本較高、制備周期較長等問題，且具有工序簡單、設(shè)備要求低、制備周期短、 成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為實(shí)施例1各層粉體組分以及層鋪順序的示意圖，其中F、A、30AC和32AF分別代表B4C細(xì)粉(平均粒徑3. 5 μ m)、Al粉(平均粒徑29 μ m)、30wt. % Al和70wt. % B4C 粗粉(平均粒徑53 μ m)的混合粉體、32wt. % Al和68wt. % B4C細(xì)粉的混合粉體。圖2為實(shí)施例1涉及的樣品以掃描電鏡觀察的橫截面圖，其中a為制備的功能梯度復(fù)合材料樣品的整體圖；b為32AF層與30AC層之間的圖像；c為F層的圖像；d為A層和 30AC層之間的圖像。圖3為實(shí)施例1制備的功能梯度復(fù)合材料的X射線衍射圖譜。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)、完整地說明。實(shí)施例1本發(fā)明所使用的B4C細(xì)粉平均粒徑為3. 5 μ m、B4C粗粉平均粒徑為53 μ m、Al粉平均粒徑為^ym ；按照比例分別將B4C細(xì)粉和粗粉與Al粉混合，配制30AC粉和32AF粉，其中F粉代表B4C細(xì)粉；A粉代表Al粉；30AC粉代表70wt. % B4C粗粉和30wt. % Al粉的混合粉體；32AF粉代表32wt. % Al粉和68wt. % B4C細(xì)粉的混合粉體。取直徑φ 20. 8mm的石墨模具，在內(nèi)側(cè)放兩層厚度約為0. 2mm的碳紙，然后在一側(cè)放入直徑Φ 20mm的石墨沖頭，再分別取F粉0. 2g、32AF粉0. 3g、A粉0. 2g、30AC粉0. 3g、 A粉0. 2g，在模具內(nèi)部靠近沖頭一側(cè)依次按F — 32AF-A- 30AC — A的順序均勻?qū)愉伈簩?shí)，再分別取直徑Φ 20mm的兩片碳紙、0.8mm厚的碳?xì)?、石墨薄片、石墨薄片、碳?xì)帧?兩片碳紙依次鋪上，再取A粉0. 2g、30AC粉0. 3g、A粉0. 2g、32AF粉0. 3g、F粉0. 2g按 A — 30AC-A- 32AF — F的順序均勻?qū)愉伈簩?shí)，再依次兩片碳紙，最后插入另一個(gè)直徑 Φ20πιπι的石墨沖頭。各層粉體的層鋪順序的示意圖見圖1所示，其中F、A、30AC和3 2 AF分別代表B4C細(xì)粉(平均粒徑3. 5 μ m)、Al粉(平均粒徑29 μ m)、30wt. % Al和70wt. % B4C 粗粉(平均粒徑53 μ m)的混合粉體、32wt. % Al和68wt. % B4C細(xì)粉的混合粉體。將放置好粉末的模具放入放電等離子體燒結(jié)爐內(nèi)，在:3min的時(shí)間內(nèi)升溫至 6000C，然后以200°C /min的速度升溫至1800°C，再保溫5min，然后切斷加熱電源，自然冷卻至室溫，取出樣品。整個(gè)過程的壓力為50MPa。切割得到的功能梯度復(fù)合材料的試樣，進(jìn)行鑲樣、拋光后，以^g的載荷測(cè)試維氏硬度，以X射線衍射法進(jìn)行相分析，并以掃描電鏡觀察樣品橫截面。圖2為涉及的樣品以掃描電鏡觀察的橫截面圖，其中a為制備的功能梯度復(fù)合材料樣品的整體圖；b為32AF層與30AC層之間的圖像；c為F層的圖像；d為A層和30AC層之間的圖像。由圖2可見所制備的功能梯度復(fù)合材料整體致密且各層之間緊密結(jié)合。圖3為制備的功能梯度復(fù)合材料的X射線衍射圖譜。由圖3可見所制備的功能梯度復(fù)合材料(B4CAl)的不同物相之間沒有發(fā)生可觀察到的界面反應(yīng)。另外，由壓痕法硬度測(cè)試表明，所制備的功能梯度復(fù)合材料(B4C/A1)樣品的橫截面上各點(diǎn)的維氏硬度值分別為30. 5GPa (Α點(diǎn)處)、8. 4GPa (B點(diǎn)處)、5. SGPa (C點(diǎn)處)、 2. 4GPa (D 點(diǎn)處)、1. 7GPa (Ε 點(diǎn)處)和 1. IGPa (F 點(diǎn)處)。綜上所述，采用本發(fā)明方法可制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料， 具有工序簡單、設(shè)備要求低、制備周期短、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。有必要在此指出的是以上實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括如下步驟a)配制各組分層的粉體，所述的組分層包括最外層的高熔點(diǎn)組分層、最內(nèi)層的低熔點(diǎn)組分層及中間的過渡層；b)在石墨模具內(nèi)放置偶數(shù)個(gè)樣品，相鄰兩個(gè)樣品間組分的過渡順序沿著模具軸向呈上下對(duì)稱，在相鄰兩個(gè)樣品的接觸界面處以石墨片或者碳?xì)指糸_；采用過渡層與低熔點(diǎn)組分層交替層鋪的方式鋪放各組分層粉體，且每個(gè)樣品組分層的鋪放順序應(yīng)保證與石墨沖頭接觸的組分層為高熔點(diǎn)組分層；在高熔點(diǎn)組分層與石墨沖頭之間鋪設(shè)有碳紙；c)一步燒結(jié)采用放電等離子體快速燒結(jié)工藝，其中升溫速率為10 1000°C /min，燒結(jié)溫度低于高熔點(diǎn)組分的熔點(diǎn)，且高于低熔點(diǎn)組分的熔點(diǎn)，壓力為5 1500MPa，保溫時(shí)間為0 30分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于在相鄰兩個(gè)樣品的接觸界面處均為低熔點(diǎn)組分層或均為高熔點(diǎn)組分層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的高熔點(diǎn)組分層由過渡金屬單質(zhì)，過渡金屬的合金，過渡金屬的碳化物、硼化物或氮化物，碳化物、氮化物、硼化物的固溶物，過渡金屬與硼、碳、氮所形成的三元化合物，及碳化硼、碳化硅、氮化硅或氮化硼單相陶瓷中的任意一種或多種材料組成。
4 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的過渡金屬單質(zhì)為鎢、鉬、鈮、錸、鋨、銥或鉭中的任意一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的過渡金屬的碳化物為碳化鋯、碳化鉭、碳化鎢或碳化釩中的任意一種；所述的過渡金屬的硼化物為硼化鉿、硼化鋯、硼化鉻或硼化釩中的任意一種；所述的過渡金屬的氮化物為氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿或氮化鉭中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的過渡金屬與硼、碳、氮所形成的三元化合物為Hf2Al4C5、Hf3Al4C6、Zr3Al3C5、 Zr2Al3C4或Ti3SiC2中的任意一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的低熔點(diǎn)組分層由金屬鋁組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的過渡層由金屬單質(zhì)和/或金屬合金組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的金屬單質(zhì)為鋁、銅、鎂、鈣或鋅中的任意一種或多種；所述的金屬合金為鎂合金、鋁合金、鈦合金或鋼合金中的任意一種或多種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法， 其特征在于所述的高熔點(diǎn)組分層的粉體粒徑為IOnm 1000 μ m。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法， 其特征在于各組分層中添加有第三相。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法， 其特征在于所述的第三相為高熔點(diǎn)燒結(jié)助劑、物相穩(wěn)定劑或增韌補(bǔ)強(qiáng)劑中的任意一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料的方法，包括配制各組分層的粉體；鋪放各組分層粉體；一步燒結(jié)。本發(fā)明通過對(duì)放電等離子體快速燒結(jié)技術(shù)以及陶瓷與金屬間良好的高溫浸潤性等兩個(gè)特性的充分結(jié)合，以及金屬粉體層、具有不同顆粒度的陶瓷層以及金屬粉體和陶瓷混合層相互層鋪工藝的合理應(yīng)用，可以以一步法燒結(jié)制備具有顯著熔點(diǎn)差異組分的功能梯度復(fù)合材料，有效解決了現(xiàn)有的兩步燒結(jié)浸滲法、熔滲焊接法、高壓通電燒結(jié)法等制備工藝存在的工序復(fù)雜、對(duì)設(shè)備要求高，等離子體噴涂、激光熔覆、化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積等工藝成本較高、制備周期較長等問題，且具有工序簡單、設(shè)備要求低、制備周期短、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B22F7/02GK102240809SQ201110172629
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者張國軍, 徐常明 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所