一种多主元粘结相钨基复合材料及其制备方法和应用

本发明涉及合金材料领域，具体涉及一种多主元粘结相钨基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、钨基复合材料具有高熔点、高密度、高强度、良好的抗烧蚀性能和射线屏蔽能力，在航空航天、核工业、电子封装、耐磨结构件及特种高强度构件等领域具有重要应用价值。为改善纯钨室温脆性大、加工困难和综合力学性能不足等问题，现有技术通常采用ni-fe、ni-cu或ni-fe-co等金属粘结相与钨相复合，制备钨重合金或钨基复合材料。

2、目前，传统钨基复合材料多采用液相烧结或热压烧结工艺制备。该类工艺通常需要较高烧结温度和较长保温时间，以促进颗粒重排、扩散结合和材料致密化。然而，高温长时烧结容易导致钨晶粒明显长大甚至异常粗化，削弱细晶强化效果。同时，传统ni-fe或ni-cu粘结相的组成相对简单，对界面状态、压缩载荷传递和网络连续性的调控空间有限。为进一步提升钨基复合材料力学性能，已有研究尝试引入氧化物、碳化物或硼化物等陶瓷增强相，通过弥散强化、晶界钉扎和晶界强化来提高硬度并抑制晶粒长大。此类方法虽然能够显著提高材料硬度，但也容易产生颗粒团聚、界面分布不均以及压缩变形能力下降等问题。

3、放电等离子烧结具有升温速率快、保温时间短、外加压力辅助致密化和烧结温度相对较低等特点，适合难熔金属复合材料的快速成形。与此同时，多主元粘结相设计为钨基复合材料提供了新的调控思路。因此，如何将多主元粘结相设计与放电等离子烧结快速致密化工艺结合，在控制钨晶粒长大的同时形成均匀、连续或半连续的粘结网络，并获得较高压缩强度和较大压缩断裂应变，是本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有钨基复合材料粘结相组成单一、烧结温度高、钨晶粒易粗化以及粘结网络连续性不足的问题，本发明提供一种多主元粘结相钨基复合材料及其制备方法。

2、为达到上述发明目的，本发明提供一种多主元粘结相钨基复合材料，所述钨基复合材料按质量百分比计，包括以下组分：w70%-80%、ni8%-12%、fe3%-7%、co3%-7%、ti1%-3%、al1%-3%和zr0.5%-2%，上述各组分的质量百分比之和为100%；

3、所述ni、fe、co、ti、al、zr经烧结合金化形成多主元粘结相，所述多主元粘结相分布于w晶粒间隙区域，并形成连续或半连续的粘结网络。

4、本发明还提供上述多主元粘结相钨基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

5、步骤1、将按配方比例称取的钨粉、镍粉、铁粉、钴粉、钛粉、铝粉和锆粉混合，制得混合物料；

6、步骤2、对混合物料进行湿法球磨、真空干燥和筛分，得到复合粉体；

7、步骤3、在真空条件下对复合粉体进行放电等离子烧结，烧结温度为1100℃-1200℃，在40mpa-60mpa轴向压力下保温5min-15min，随后在真空条件下随炉冷却即得。

8、进一步地，步骤1中，所述钨粉、镍粉、铁粉、钴粉、钛粉、铝粉和锆粉的纯度均不低于99.0%；所述钨粉、镍粉、铁粉、钴粉、钛粉、铝粉和锆粉的平均粒径均为1μm-10μm。

9、进一步地，步骤2包括：将所述混合物料在无水乙醇介质和惰性气体保护条件下进行湿法球磨混合，球磨结束后进行真空干燥和筛分，得到复合粉体。

10、进一步地，所述湿法球磨的工艺参数为：采用行星式球磨机，硬质合金制成的球磨罐及磨球，球料质量比为5-15:1；无水乙醇的加入量为没过磨球及粉末2mm-5mm；在无水乙醇加入后通入惰性气体；球磨机转速为150r/min-300r/min，球磨时间为10h-30h。

11、进一步地，所述的真空干燥温度为60℃-90℃，干燥时间为12h-24h进行干燥。

12、进一步地，所述筛分的目数为80目-200目。

13、进一步地，步骤3中所述放电等离子烧结的真空度不高于10pa。

14、进一步地，步骤3中烧结时升温速率为80℃/min-120℃/min。

15、进一步地，步骤3中，保持轴向压力冷却至400℃-600℃后再卸除轴向压力。

16、本发明还提供了上述多主元粘结相钨基复合材料在抗冲击结构件、耐磨部件、抗烧蚀部件、射线屏蔽部件或电子封装部件中的应用。

17、本发明的有益效果为：

18、本发明的目的在于针对现有钨基复合材料制备过程中烧结温度高、保温时间长、钨晶粒易粗化、传统粘结相强度不足以及压缩强度与压缩变形能力难以兼顾等问题，提供一种通过放电等离子烧结制备多主元粘结相钨基复合材料的方法。

19、通过ni、fe、co、ti、al、zr多主元粘结相的成分设计，结合放电等离子烧结快速升温、短时保温和压力辅助致密化作用，在较低烧结温度下实现钨基复合材料的快速致密化、粘结相原位合金化和界面强化，从而获得兼具较高硬度、较高压缩强度和较大压缩变形能力的钨基复合材料。

20、具体而言：

21、(1)本发明采用放电等离子烧结工艺代替传统高温长时液相烧结或热压烧结，利用快速升温、脉冲电流活化和压力辅助致密化作用，在1100℃-1200℃较低温度范围和短时保温条件下实现钨基复合材料的致密化，有利于降低烧结温度、缩短制备周期并减少能耗。

22、(2)本发明引入ni-fe-co-ti-al-zr多主元粘结相体系，使粘结相在烧结过程中发生扩散与合金化，并在钨颗粒之间形成连续或半连续的强化粘结网络，有利于改善传统ni-fe或ni-cu粘结相强度不足的问题，提高材料的界面结合强度和载荷传递能力。

23、(3)本发明所采用的低温快速烧结方式能够有效抑制钨晶粒在烧结过程中的异常粗化，同时ti、al、zr等元素的加入可促进固溶强化、界面强化以及可能的金属间化合物强化，从而提高钨基复合材料的硬度和压缩承载能力。

24、(4)1200℃放电等离子烧结样品的室温压缩强度约为2.8gpa，压缩断裂应变达到43.7%，兼具较高压缩承载能力和较大压缩变形能力；1100℃和1200℃样品的维氏硬度分别为619.5hv和482.7hv。结合显微组织和eds元素分布可知，连续或半连续多主元粘结网络为提高压缩承载能力和压缩变形能力提供组织基础。

25、综上，本发明能够在较低烧结温度和较短保温时间下实现多主元粘结相钨基复合材料的快速致密化和压缩承载能力与压缩变形能力协同改善，所制备材料可应用于高强度结构件、耐磨部件、抗冲击部件、屏蔽材料及其他特种钨基复合材料领域。

1.一种多主元粘结相钨基复合材料，其特征在于，所述钨基复合材料按质量百分比计，包括以下组分：w70%-80%、ni8%-12%、fe3%-7%、co3%-7%、ti1%-3%、al1%-3%和zr0.5%-2%，上述各组分的质量百分比之和为100%；

2.一种制备权利要求1所述多主元粘结相钨基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述钨粉、镍粉、铁粉、钴粉、钛粉、铝粉和锆粉的纯度均不低于99.0%；所述钨粉、镍粉、铁粉、钴粉、钛粉、铝粉和锆粉的平均粒径均为1μm-10μm。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2包括：将所述混合物料在无水乙醇介质和惰性气体保护条件下进行湿法球磨混合，球磨结束后进行真空干燥和筛分，得到复合粉体。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述湿法球磨的工艺参数为：采用行星式球磨机，硬质合金制成的球磨罐及磨球，球料质量比为5-15:1；无水乙醇的加入量为没过磨球及粉末2mm-5mm；在无水乙醇加入后通入惰性气体；球磨机转速为150r/min-300r/min，球磨时间为10h-30h。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空干燥的干燥温度为60℃-90℃，干燥时间为12h-24h；所述筛分的目数为80目-200目。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述放电等离子烧结的真空度不高于10pa。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，烧结时升温速率为80℃/min-120℃/min。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，冷却时保持轴向压力，且在冷却至400℃-600℃后卸除轴向压力。

10.权利要求1所述的多主元粘结相钨基复合材料在抗冲击结构件、耐磨部件、抗烧蚀部件、射线屏蔽部件或电子封装部件中的应用。