專利名稱：一種具有遞變電阻及高熔點差梯度材料的制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種梯度材料的制備工藝。
梯度功能材料是二十世紀(jì)八十年代中后期發(fā)展起來的一種新型復(fù)合材料，是一種組分、結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)都呈連續(xù)變化或階梯變化的高性能材料。梯度材料的制備根據(jù)材料體系的不同采取不同的方法，一般有熱壓燒結(jié)法、氣相沉積法、自蔓延高溫合成法、等離子噴涂法、激光熔覆、熔滲法、電火花燒結(jié)法等。
但對于一大類具有高熔點差的材料體系，因組分可燒結(jié)溫度范圍無重疊，所以往往無法整體燒結(jié)。這類材料合乎邏輯的方法是先通過對高熔點組分造梯度骨架，然后浸滲低熔點金屬。Takahashi等[Int.J.of Refractory Metals & HardMaterials，12(1993-1994)243-250]用先造骨架后滲金屬的方法制備高熔點差的W/Cu(鎢/銅)梯度材料。首先用不同粒度的金屬W粉末疊層冷壓，在2073K及98MPa的氫氣氛下燒結(jié)8小時獲得W骨架，然后在2073K及196MPa下熱等靜壓3小時以消除骨架中的閉孔，再后在1473K滲銅得到W/Cu梯度材料。
與此相似，Petrovic等[Ceramic Engineering And Science Proceedings，19(4)(1998)387-393]用不同粒度的B4C(碳化硼)粉末疊層壓制，用糠醇作碳的先驅(qū)體滲入B4C中，在2173K，20MPa下燒結(jié)1h，得到不同孔隙分布的陶瓷骨架，然后在真空條件下滲Al和環(huán)氧樹脂，得到B4C/Al、B4C/環(huán)氧梯度材料。
以上具有高熔點差梯度材料熔滲法制備的優(yōu)點是可以有效克服熔點差大且燒結(jié)溫度無重疊區(qū)組元很難同時燒結(jié)制備的問題，但其主要缺點是用單一粒級高熔點組元難以制備梯度骨架；難以獲得連續(xù)的梯度骨架進(jìn)而難以獲得連續(xù)成分變化的梯度材料；工序多，時間長。
一種新的梯度燒結(jié)是激光熔覆方式，它是通過激光光斑照射材料表面使其熔化焊接，通過改變功率及移動光斑，便可燒結(jié)具有高熔點差的梯度材料。最成功的例子是Ti-Al系統(tǒng)[Abboud J H等，J，Mater.Sci.，29(1994)3393-3398]。然而這項工藝技術(shù)復(fù)雜，一些具備此類性質(zhì)的材料還沒有被制造出來。
與本發(fā)明最相關(guān)的是超高溫超高壓合成人造金剛石和立方BN(氮化硼)工藝以及電火花燒結(jié)技術(shù)。
超高溫超高壓合成工藝是在超高壓下(大于5000MPa)，用石墨管(兼作樣品腔)作發(fā)熱體，在觸媒作用下使石墨或六方BN發(fā)生相變以獲得金剛石和立方BN。但用此相關(guān)技術(shù)制備梯度材料尚無報道。
另一項相關(guān)技術(shù)是電火花燒結(jié)，它是通過高頻率交流電和直流電源疊加方式，通過高頻電源擊穿顆粒表面的氧化膜、以直流電源加熱的一種強(qiáng)化燒結(jié)工藝，它可以在低壓條件下快速制備具有導(dǎo)電性的物料；對絕緣材料，是通過埋入導(dǎo)電粉末及主要依靠石墨模具發(fā)熱體實施燒結(jié)的。Ohtsuka等[Journal of theJapan Society of Powder Metallurgy，45(3)(1998)220-224]用此法制備出了Cu/Al2O3/Cu軸對稱梯度材料Omori等[Journal of the Japan Society of PowderMetallurgy，45(3)(1998)216-219]在245MPa下制得了致密的聚酰亞胺-AlN/Cu梯度材料；Sumi等[Journal of the Japan Society of Powder Metallurgy，45(11)(1998)1071-1075]也用電火化工藝制備出了Ni/PSZ梯度材料。
電火花燒結(jié)具有獨特的優(yōu)點，但存在電源裝置復(fù)雜，設(shè)備造價高的缺點，對導(dǎo)電性差的非氧化物陶瓷材料及熔點相差大的材料體系，需要設(shè)計復(fù)雜的石墨發(fā)熱體模具，一些具備此類性質(zhì)的材料也還沒有用此方法被制造出來。
本發(fā)明的目的在于提供一種在超高壓下對通過電阻調(diào)整的樣品施加高強(qiáng)交流電，通過材料本身或外發(fā)熱體實現(xiàn)溫度場梯度分布，從而實現(xiàn)梯度燒結(jié)的目的。施加大電流和超高壓力的目的是為了實現(xiàn)快速燒結(jié)及致密化，避免或抑制梯度材料的成分?jǐn)U散。
本發(fā)明主要由三部分組成。
1、成型將已經(jīng)過成分設(shè)計的不同配比的原料粉末進(jìn)行球磨混勻，烘干后準(zhǔn)備用于成型。
對于金屬/金屬梯度材料，由于其塑性好，可直接在鋼模中將粉末逐層鋪疊3～15層，每層厚度0.5～2毫米，然后在千斤頂或壓機(jī)上冷壓成型；或者為了脫模方便，在鋼模中先預(yù)置石墨紙包套，再將粉末逐層鋪疊，然后壓制。在通電燒結(jié)時，是金屬/金屬梯度材料本身作為發(fā)熱體。附

圖1是金屬/金屬成型生坯形狀示意圖。
對于陶瓷/金屬梯度材料，則應(yīng)先在鋼模中預(yù)置石墨紙包套，然后在包套內(nèi)將粉末逐層鋪疊，再進(jìn)行冷壓成型。在通電燒結(jié)時，在金屬富集側(cè)，金屬本身作為發(fā)熱體；在陶瓷富集側(cè)，石墨紙作為發(fā)熱體，可以通過調(diào)節(jié)石墨紙的厚度來調(diào)節(jié)加熱功率，其厚度在0.2-1.0mm之間。附圖2是陶瓷/金屬梯度材料成型生坯形狀示意圖。
2、樣品組合樣品組合包括梯度材料生坯、密封片、增壓片以及集絕緣、隔熱和傳壓目的于一身的葉臘石包套。密封片為普通石墨，厚度為3-5mm；增壓片為普通A3碳素鋼，厚度為5-10mm；葉臘石包套的內(nèi)部尺寸依據(jù)梯度材料生坯及密封片、增壓片的尺寸而定，包套厚度為10-20mm。
包套與生坯、密封片及增壓片應(yīng)配合緊密，以減少樣品組合內(nèi)部的空氣量。樣品組合在燒結(jié)前應(yīng)進(jìn)行烘干。附圖3是樣品組合形狀示意圖。
3、超高壓梯度燒結(jié)首先將樣品組合置于有通電加熱的高壓設(shè)備樣品腔內(nèi)，然后啟動液壓系統(tǒng)對樣品組合進(jìn)行壓制，壓力在3000-5000MPa之間。當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值后進(jìn)行保壓1-2分鐘；啟動通電加熱系統(tǒng)進(jìn)行超高壓梯度燒結(jié)，加熱30-60秒鐘后切斷電流；卸壓，取出樣品。
超高壓設(shè)備可以有兩種不同形式，一種是在樣品組合的各個方向施加等靜壓，如立方等靜壓，附圖4是樣品組合受六面等靜壓示意圖。加熱燒結(jié)時電流從其中一對加壓方向通過，電流通過的方向是梯度材料電阻遞變的方向。另一種加壓方式是兩面壓，樣品組合周圍有傳壓介質(zhì)(如剛玉砂)，梯度材料的受壓情況可視為準(zhǔn)等靜壓。附圖5是兩面加壓準(zhǔn)等靜壓示意圖。
通電加熱的電源采用低壓交流電，電壓為5-10V、電流為1500-2000A、頻率為50Hz。
本發(fā)明的優(yōu)點在于成型過程不需要添加任何成型劑，成型方便快捷；容易建立梯度溫度場，這正是具有高熔點差梯度材料實現(xiàn)整體燒結(jié)所必需的；可以在極短時間內(nèi)(30-60秒)實現(xiàn)快速燒結(jié)和致密化，因而層狀材料的梯度成分可以完整保留；超高壓和快速燒結(jié)可以獲得非平衡相，可以抑制晶粒長大及界面化學(xué)反應(yīng)；樣品本身或一部分作為發(fā)熱體，溫度場容易通過電流輸入來進(jìn)行控制，因而此技術(shù)有簡單、高效、節(jié)能以及低成本的特點；應(yīng)用范圍廣本工藝適應(yīng)于制備高電阻率以及高熔點金屬/低電阻率低熔點金屬梯度材料，高/低電阻率及高/低熔點的陶瓷/金屬梯度材料。材料范圍包括高熔點金屬，如W、Mo、Ta；陶瓷，氧化物如Al2O3、ZrO2、BeO、MgO，碳化物如SiC、B4C、TiC、WC、ZrC、Cr3C2，硼化物如TiB2、ZrB2，氮化物如BN、Si3N4、AlN、TiN，硅化物，如MoSi2；低熔點金屬，如Cu、Al、Ti、Ni、不銹鋼。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
附圖1是金屬/金屬梯度材料的壓坯形狀圖。其中(1)高電阻率高熔點金屬層，(2)中間過渡層，(3)低阻低熔點金屬層。
附圖2是陶瓷/金屬梯度材料的形狀圖。其中(4)高電阻率高熔點陶瓷層，(5)石墨紙包套。
附圖1與附圖2的區(qū)別是在附圖2外包石墨紙?zhí)?5)，石墨紙的電阻比陶瓷側(cè)小，故此時石墨紙作為陶瓷燒結(jié)的發(fā)熱體。
附圖3是梯度材料組合樣品圖。其中(6)增壓鋼片，(7)樣品生坯，(8)葉臘石包套，(9)石墨密封片。增壓鋼片(6)和石墨密封片(9)對樣品起增壓和密封作用，同時也起到電導(dǎo)體作用；葉臘石包套(8)起到傳壓、密封、隔熱和保溫作用。
附圖4是六面加壓立方等靜壓示意圖。(10)樣品組合，(11)加壓方向，(12)交流電源。
附圖5是兩面施壓準(zhǔn)等靜壓示意圖。(13)上壓頭，(14)傳壓介質(zhì)(如剛玉砂)(15)高壓模具，(16)下壓頭。
附圖4與附圖5的區(qū)別是組合樣品的加壓方式不同，附圖4是施加立方等靜壓，附圖5是兩面加壓，通過傳壓介質(zhì)(14)(如剛玉砂)作用在樣品中產(chǎn)生準(zhǔn)等靜壓。附圖4和附圖5均是在梯度材料成分變化方向施加低電壓高電流交流電進(jìn)行梯度燒結(jié)的。
實施例1 B4C/Cu梯度材料用厚度為0.2mm厚的石墨紙做外套，然后將Cu2Cu+B4C2B4C按梯度材料的成分設(shè)計進(jìn)行粉末疊層6層，每層1mm，然后壓制成型；將梯度材料生坯置于葉臘石包套中，用石墨片和鋼片按附圖3所示裝配樣品組合；對樣品組合施加立方等靜壓，壓力為3000MPa；通入電壓為9.5V，電流強(qiáng)度為1600A的交流電燒結(jié)35秒鐘，獲得了完全致密的B4C/Cu梯度材料。
實施例2 W/Cu梯度材料將W/Cu梯度材料按設(shè)計的成分配料疊層10層，每層2mm，壓制成型，再與葉臘石、石墨片及鋼片裝配成樣品組合；施加準(zhǔn)等靜壓，壓力為5000MPa；通入交流電(6.8V，1900A)50秒鐘，W/Cu梯度材料的燒結(jié)相對密度達(dá)到96％。
權(quán)利要求
1.一種具有遞變電阻及高熔點差梯度材料的制備工藝，其特征在于a、成型將已經(jīng)過成分設(shè)計的不同配比的原料粉末進(jìn)行球磨混勻，烘干后準(zhǔn)備用于成型。對于金屬/金屬梯度材料，直接在鋼模中將粉末逐層鋪疊3～15層，每層厚度0.5～2毫米，然后在千斤頂或壓機(jī)上冷壓成型，或在鋼模中先預(yù)置石墨紙包套，再將粉末逐層鋪疊，然后壓制，在通電燒結(jié)時，是金屬/金屬梯度材料本身作為發(fā)熱體；對于陶瓷/金屬梯度材料，則先在鋼模中預(yù)置石墨紙包套，然后在包套內(nèi)將粉末逐層鋪疊，再進(jìn)行冷壓成型，在通電燒結(jié)時，在金屬富集側(cè)，金屬本身作為發(fā)熱體，在陶瓷富集側(cè)，石墨紙作為發(fā)熱體，通過調(diào)節(jié)石墨紙的厚度來調(diào)節(jié)加熱功率，石墨紙的厚度在0.2-1.0mm之間；b、樣品組合樣品組合包括梯度材料生坯、密封片、增壓片以及集絕緣、隔熱和傳壓于一身的葉臘石包套，密封片為普通石墨，厚度為3-5mm，增壓片為普通A3碳素鋼，厚度為5-10mm，葉臘石包套的內(nèi)部尺寸依據(jù)梯度材料生坯及密封片、增壓片的尺寸而定，包套厚度為10-20mm，包套與生坯、密封片及增壓片應(yīng)配合緊密，以減少組合樣品內(nèi)部的空氣量，樣品組合在燒結(jié)前應(yīng)進(jìn)行烘干；c、超高壓梯度燒結(jié)首先將樣品組合置于有通電加熱的高壓設(shè)備樣品腔內(nèi)，然后啟動液壓系統(tǒng)對樣品組合進(jìn)行壓制，壓力在3000-5000MPa之間，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值后保壓1-2分鐘；啟動通電加熱系統(tǒng)進(jìn)行超高壓梯度燒結(jié)，加熱30-60秒鐘后切斷電流；卸壓，取出樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于超高壓設(shè)備可以有兩種不同形式，一種是在樣品組合的各個方向施加等靜壓，加熱燒結(jié)時電流從其中一對加壓方向通過，電流通過的方向是梯度材料電阻遞變的方向；另一種加壓方式是兩面壓，樣品組合周圍有傳壓介質(zhì)，梯度材料的受壓情況可視為準(zhǔn)等靜壓；通電加熱的電源采用低壓交流電，電壓為5-10V、電流為1500-2000A、頻率為50Hz。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有遞變電阻及高熔點差梯度材料的制備工藝,可快速制造陶瓷/金屬,金屬/金屬梯度功能材料。它是在超高壓條件下利用樣品中隨位置變化而電阻遞變的特點,以大電流通過樣品形成梯度分布的溫度場的強(qiáng)化燒結(jié)技術(shù)。它適用于制備具有遞變電阻的梯度材料,尤其適用于兼具有高熔點差梯度材料的制備。其優(yōu)點在于工藝簡單、高效、節(jié)能、成本低,應(yīng)用范圍廣。
文檔編號B22F3/14GK1336249SQ00121189
公開日2002年2月20日 申請日期2000年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月31日
發(fā)明者李江濤, 凌云漢, 葛昌純, 孫加林 申請人:北京科技大學(xué)