專利名稱：組分連續(xù)變化的梯度材料的致密化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及組分連續(xù)變化的梯度材料的致密化方法。
背景技術(shù)：
獲得連續(xù)梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)是梯度材料、梯度復(fù)合理論與技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是若干重要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ荻炔牧系母量?、更精?xì)要求。從熱應(yīng)力緩和的角度來看，成分連續(xù)分布是獲得優(yōu)異隔熱和抗熱沖擊性能的關(guān)鍵，同時(shí)也是梯度材料制備領(lǐng)域一直追求的目標(biāo)。利用異相顆粒共沉降實(shí)現(xiàn)梯度材料組分的連續(xù)分布是近幾年才發(fā)展起來的一種新型的制備方法，該方法具有適用材料體系范圍廣、工藝控制較為簡單、費(fèi)用低廉和實(shí)驗(yàn)手段靈活等特點(diǎn)。
共沉降法制備梯度材料依據(jù)的原理是層流狀態(tài)下的Stokes自由沉降公式U=D2g(ρParticle-ρLiquid)18η---------(1)]]>其中U表示顆粒的沉降速度；D表示顆粒的粒徑；η表示懸浮液的粘度；g表示重力加速度。由上式可知不同粒度和密度的固體顆粒具有不同的沉降速度，因此它們?cè)诔两等萜鞯撞块_始堆積的時(shí)間不同。通過控制原料粉末的粒度分布和沉降過程中的工藝參數(shù)，就可以獲得組分連續(xù)變化的顆粒沉積體。
對(duì)于通過沉降形成的沉積體，需要通過某些技術(shù)手段使其致密化，以滿足使用的要求。由金屬粉末形成的沉積體，通常采用燒結(jié)的方法使其致密化。但由于不同物質(zhì)在燒結(jié)性能上存在差異，為了使不同組分形成的沉積體在同一條件下致密化，各國科學(xué)家采用了不同的方法。德國的T.Jungling等人曾用提高燒結(jié)溫度的方法提高沉積體的致密度，但效果并不理想；法國人則先將熔點(diǎn)較高的物質(zhì)與石墨粉沉降后，燒結(jié)制成開孔氣孔連續(xù)變化的多孔材料，然后再將熔點(diǎn)較低的物質(zhì)加熱至熔融狀態(tài)，在一定的壓力下將熔融物壓入到梯度孔材料中。由于梯度孔的孔隙率不能達(dá)到100％，用這種方法制備的梯度材料，雖在一定組分范圍內(nèi)材料是致密的，但梯度材料整體組分的連續(xù)化遭到了破壞，并且該方法只適用于某些特定體系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種利用異相顆粒共沉降制備金屬系功能梯度材料的整體致密化的新方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有任意指定結(jié)構(gòu)的金屬系功能梯度材料的整體致密化。其過程為分別對(duì)構(gòu)筑金屬系功能梯度材料的各主要組元的致密化進(jìn)行研究，通過篩選方式得到能對(duì)一種或多種主要組元金屬形成的顆粒均質(zhì)體實(shí)現(xiàn)致密化的燒結(jié)助劑。然后在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步遴選出能夠在同一條件下(燒結(jié)溫度、壓力)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種主要組元形成的均質(zhì)復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)致密化的燒結(jié)助劑。最后，根據(jù)構(gòu)筑金屬系功能梯度材料各主要金屬組元的粒度大小，利用顆粒在懸浮液中層流沉降條件計(jì)算出燒結(jié)助劑粉末的粒度分布和添加量。以沉降的方式將燒結(jié)助劑添加到顆粒沉積體中，通過燒結(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)顆粒沉積體的致密化。
具體發(fā)明內(nèi)容敘述如下1.燒結(jié)助劑種類的篩選及燒結(jié)機(jī)制的確定燒結(jié)助劑的篩選分為粗選和精選兩步；粗選是在寬廣的范圍內(nèi)分別篩選出對(duì)金屬系功能梯度材料各主要組元具有致密化效應(yīng)的燒結(jié)助劑的種類。精選是在粗選燒結(jié)助劑的范圍內(nèi)，篩選出能夠在相同條件(燒結(jié)溫度、壓力)下實(shí)現(xiàn)對(duì)多種組元同時(shí)致密化的燒結(jié)助劑，其燒結(jié)機(jī)制和添加含量的選擇以在該溫度下單質(zhì)及復(fù)合材料達(dá)到最好致密度的添加含量作為標(biāo)準(zhǔn)。
2.燒結(jié)助劑粒度分布與含量的計(jì)算由于燒結(jié)助劑是通過顆粒共沉降的方式添加到顆粒沉積體中，因此燒結(jié)助劑沉積的位置要與其致密化組元沉積的位置相對(duì)應(yīng)。這需要根據(jù)組元的粒度分布對(duì)燒結(jié)助劑的粒度分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。基于顆粒在層流狀態(tài)下的沉降條件和懸浮液中顆粒沉降的連續(xù)性方程∂C∂t+∂(CU)∂h=0------(2)]]>(其中，C表示顆粒在懸浮液中的濃度，它是空間位置和時(shí)間的函數(shù)；h表示沿重力方向的位置坐標(biāo)；t表示沉降時(shí)間。U表示顆粒的沉降速度)，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)于各主要組元的燒結(jié)助劑的粒度分布和含量?；谟?jì)算結(jié)果，對(duì)燒結(jié)助劑原料進(jìn)行沉降分級(jí)。通過控制顆粒的沉降時(shí)間，選取所需粒度分布的顆粒。在燒結(jié)助劑的添加含量上，由于各組分的含量在材料中是梯度變化的，因此要求燒結(jié)助劑的添加含量也與對(duì)應(yīng)的組分含量梯度變化，這樣才能得到較好的燒結(jié)效果。
3.連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)的形成及燒結(jié)根據(jù)要制備的梯度材料的原料的特性，選擇適當(dāng)?shù)姆稚?，用于共沉降法的分散液必須能充分潤濕功能梯度主組分和燒結(jié)劑的顆粒表面；不會(huì)溶解顆粒，且無其它反應(yīng)；粉末顆粒在分散液中具有適當(dāng)?shù)某两邓俣?，即分散液的粘度適中。
稱量計(jì)算質(zhì)量的指定粒度分布的原料粉末，在已選取的分散劑中分散成懸浮液。懸浮液通過超聲波充分分散后，加入到沉降設(shè)備中進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)。沉降完畢后，將顆粒沉積體上方的液體介質(zhì)排出沉降設(shè)備。沉積體經(jīng)烘干，壓制成型后，移至石墨模具中，進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)機(jī)制和第1步中確定的相同，通過熱壓燒結(jié)或放電等離子燒結(jié)最后得到具有指定結(jié)構(gòu)的致密的梯度材料。
采用上述方法，能夠?qū)M分連續(xù)變化的金屬系功能梯度材料實(shí)現(xiàn)整體致密化。


圖1W粉的粒度分布圖2Mo粉的粒度分布圖3Ni-Cu合金粉末的粒度分布圖4未加燒結(jié)助劑的W-Mo梯度材料縱斷面的EPMA圖a為富Mo端，b為富W端圖5添加了燒結(jié)助劑Ni-Cu后，W-Mo梯度材料縱斷面顯微結(jié)構(gòu)a為富Mo端，b為富W端圖6未加燒結(jié)助劑的Mo-Ti梯度材料縱斷面的EPMA圖a為富Mo端，b為中間過渡區(qū)，c為富Ti端(1200℃、30MPa、保溫1小時(shí)真空燒結(jié))圖7添加了燒結(jié)助劑Ni-Cu后，Mo-Ti梯度材料縱斷面的EPMA圖a為富Mo端，b為中間過渡區(qū)，c為富Ti端(1200℃、30MPa、保溫1小時(shí)真空燒結(jié))具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的具體實(shí)施方案。
實(shí)施例1組分連續(xù)變化的W-Mo梯度材料的制備，其具體過程分述如下(1)燒結(jié)助劑種類的確定在該體系梯度材料中，其主要構(gòu)成組元是W和Mo。目前燒結(jié)W合金的燒結(jié)劑體系主要有Ni-Fe、Ni-Cu、Ni-Co、Ni-Cr等；在用粉末冶金方法制備鉬合金的研究中，Ti、Zr通常作為燒結(jié)助劑，同時(shí)Ni-Cu對(duì)Mo也具有良好燒結(jié)作用。因此將Ni-Cu作為W、Mo組元共同的燒結(jié)助劑。通過對(duì)W和Mo單質(zhì)及其復(fù)合材料的燒結(jié)研究確定其添加含量為3wt.％Ni-wt.2％Cu，燒結(jié)溫度為1200℃。
(2)計(jì)算燒結(jié)助劑Ni-Cu合金(Ni、Cu比為3∶2)的粒度分布和含量基于顆粒在懸浮液中沉降的連續(xù)性方程，以及層流條件(即Stokes公式)，對(duì)于給定粒度分布的W、Mo粉末(如圖1和2所示)計(jì)算得到的Ni-Cu合金粉末的粒度分布如圖3所示。然后再根據(jù)W、Mo粉末的質(zhì)量計(jì)算出Ni-Cu合金粉末的添加量?；谟?jì)算結(jié)果對(duì)Ni-Cu合金原料分級(jí)，獲得所需粒度粉末。
(3)W-Mo連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)的形成與致密化因?yàn)闊o水乙醇對(duì)于W、Mo、Ni-Cu合金具有良好的分散作用，且無反應(yīng)發(fā)生，本發(fā)明選用無水乙醇為分散介質(zhì)。稱量原料粉末的質(zhì)量，在無水乙醇中分散成懸浮液。懸浮液通過超聲波充分分散后，加入到沉降設(shè)備中進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)。沉降完畢后，將顆粒沉積體上方的乙醇液體排出。沉積體經(jīng)烘干，壓制成型后，移至石墨模具中，沉降體在1200℃-30MPa-1h條件下進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。
(4)結(jié)構(gòu)測試為了加以對(duì)照，將未加燒結(jié)助劑Ni-Cu的W、Mo顆粒進(jìn)行沉降，在同樣條件下進(jìn)行燒結(jié)。所得的所有試樣經(jīng)帶有能譜儀的電子探針進(jìn)行分析。圖4是未加燒結(jié)助劑的W-Mo梯度材料的顯微組織結(jié)構(gòu)?？梢钥闯鰺o論是在富W端還是在富Mo端都存在較多的孔隙。圖5是加有燒結(jié)助劑Ni-Cu合金時(shí)得到的W-Mo梯度材料的顯微結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，W-Mo材料已經(jīng)完全致密化，圖中的黑色斑點(diǎn)為燒結(jié)助劑和Mo粉的富積處。
實(shí)施例2組分連續(xù)變化的Mo-Ti梯度材料的制備(1)燒結(jié)助劑種類的確定其過程同實(shí)施實(shí)例1相同，最終確定Ni-Cu作為Mo、Ti組元共同的燒結(jié)助劑。
(2)計(jì)算燒結(jié)助劑Ni-Cu的粒度分布和含量其計(jì)算過程同實(shí)施實(shí)例1完全相同。
(3)Mo-Ti連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)的形成與致密化仍選用無水乙醇作為分散介質(zhì)。過程同實(shí)施實(shí)例1相同。
(4)結(jié)構(gòu)測試同樣為了加以對(duì)照，將未加有燒結(jié)助劑Ni-Cu的Mo、Ti顆粒進(jìn)行沉降，在同樣條件下進(jìn)行燒結(jié)。所得的所有試樣經(jīng)帶有能譜儀的電子探針進(jìn)行分析。圖6是未加燒結(jié)助劑的Mo-Ti梯度材料的顯微組織結(jié)構(gòu)?？梢钥闯鲈诟籑o端存在較多的孔隙。圖7是加有燒結(jié)助劑Ni-Cu合金時(shí)得到的Mo-Ti梯度材料的顯微結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，Mo-Ti材料已經(jīng)完全致密化。
由上述不同體系梯度材料的制備表明，本發(fā)明提出了一種用于組分連續(xù)變化梯度材料致密化的新思路，針對(duì)利用異相顆粒共沉降制備組分連續(xù)的梯度材料都可使用本發(fā)明，獲得整體致密的梯度材料。
權(quán)利要求
1.一種利用異相顆粒共沉降制備組分連續(xù)的金屬系功能梯度材料的致密化方法，其特征在于針對(duì)構(gòu)筑金屬系功能梯度材料的各主要組元，通過粗選方式依次得到能對(duì)一種或多種主要組元形成的顆粒均質(zhì)體實(shí)現(xiàn)致密化的燒結(jié)助劑，然后在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步篩選出能夠在同一條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)多種組元同時(shí)致密化的燒結(jié)助劑的種類、添加量及燒結(jié)機(jī)制，最后，根據(jù)構(gòu)筑梯度材料各主要組元的粒度大小，利用顆粒在懸浮液中層流沉降條件計(jì)算出燒結(jié)助劑粉末的粒度分布，通過沉降的方式把添加劑和功能梯度材料的主組分一起沉降，通過真空熱壓或放電等離子燒結(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)顆粒沉積體的致密化，其中，基于顆粒在層流狀態(tài)下的沉降條件和懸浮液中顆粒沉降的連續(xù)性方程是∂C∂t+∂(CU)∂h=0]]>式中C表示顆粒在懸浮液中的濃度，它是空間位置和時(shí)間的函數(shù)；h表示沿重力方向的位置坐標(biāo)；t表示沉降時(shí)間。U表示顆粒的沉降速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致密化方法，其特征是在燒結(jié)助劑的選擇中，選擇能使梯度材料所有組分在同種溫度下同時(shí)致密的燒結(jié)助劑為最佳，燒結(jié)助劑的燒結(jié)機(jī)制和添加含量的選擇以在該條件下單質(zhì)及復(fù)合材料達(dá)到最好致密度的添加含量作為標(biāo)準(zhǔn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的致密化方法，其特征在于燒結(jié)劑的粒度分布與功能梯度材料主組分的粒度分布相對(duì)應(yīng)，燒結(jié)助劑的添加含量與對(duì)應(yīng)的組分含量梯度變化。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用異相顆粒共沉降制備組分連續(xù)變化的金屬系功能梯度材料的致密化方法。其特征為針對(duì)構(gòu)筑金屬系功能梯度材料的各主要組元，通過粗選方式得到能對(duì)一種或多種主要組元形成的顆粒均質(zhì)體實(shí)現(xiàn)致密化的燒結(jié)助劑。然后在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步篩選出能夠在同一條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)多種組元同時(shí)致密化的燒結(jié)助劑，其燒結(jié)機(jī)制和添加含量的選擇以在該條件下單質(zhì)及復(fù)合材料達(dá)到最好致密度的添加含量作為標(biāo)準(zhǔn)。最后，根據(jù)構(gòu)筑梯度材料各主要組元的粒度大小，利用顆粒在懸浮液中層流沉降條件計(jì)算出燒結(jié)助劑粉末的粒度分布和添加量。以沉降的方式將燒結(jié)助劑添加到顆粒沉積體中，通過真空熱壓或放電等離子燒結(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)顆粒沉積體的致密化。
文檔編號(hào)B22F3/105GK1544187SQ20031011135
公開日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月10日
發(fā)明者張聯(lián)盟, 楊中民, 龔道仁, 沈強(qiáng), 王傳彬 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)