纳米W-25Cu-La2O3复合粉末的制备及其烧结致密化工艺

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采用纳米或微纳米合成技术可制备出高烧结活性的复合粉末,由于相组成之间合金元素的相互固溶性和界面结构的改变,加之纳米复合粉体的稀土微合金化+瞬时强化烧结艺控制,极大促进了粉末烧结过程的物质迁移,提高第二相粒子在烧结体中弥散分布的均匀性,可制备出晶粒细小、致密度高、组织均匀的高性能合金,引领粉末冶金的发展方向。本文以 Na2WO4·2H2O、Cu(NO3)2·3H2O和La(NO3)3·nH2O为原料,采用水热-共沉淀法合成了前驱体粉末,低温焙烧和氢气共还原技术制备出了 La2O3掺杂纳米W-Cu复合粉末,包套热挤压工艺制备了高致密细晶稀土钨铜合金。借助 SEM、HRTEM、DTA/TG及 XRD等手段对纳米复合粉体的物相、形貌和微观结构进行了表征,并探讨了合金的物理、力学与电接触性能。主要研究结果如下。  纳米粉体合成研究结果表明,调整混合溶液pH值在5.5时,W、Cu、La三种元素的回收率最高,水热产物分散性好,形态圆整,颗粒粒径细小、均匀,介于10~20 nm之间。与不加稀土相比,水热产物分解温度降低,470℃煅烧2 h后,La与 W形成复合氧化物 La2W3O12,且分解形成的 WO3相依附 La(OH)3生长,结晶性能提高。在还原炉中850℃温度下氢气气氛还原2h后,可得到由W、Cu和 La2O3组成的纳米复合还原粉末。HRTEM表征发现,La2O3吸附在 W和 Cu颗粒的表面,阻止晶粒的长大。分段还原法得到粉体的颗粒径与形态好于一段还原得到的粉体,颗粒形态圆整,粒径介于15~30 nm之间。  烧结致密化研究表明,采用传统冷压制坯+真空烧结致密化制备 La2O3掺杂纳米 W-25Cu合金时,合金的致密性不理想,相对致密度只有91.83%,合金中仍存在孔洞和烧结不均匀的现象。采用包套热挤压工艺可以进一步提高合金致密性。在挤压温度为1070℃、挤压比为7.72的挤压条件下,W-25Cu-La2O3合金相对致密度可以达到99.32%。La2O3掺杂含量对合金物理、力学性能有着重要的影响。La2O3的含量为0.7%时,合金的导电率最大,为53.8%IACS;La2O3的掺杂量为2.0%时,复合材料的力学性能最好,硬度达到最大288HB,抗拉强度达到最大值376MPa。  稀土W-25Cu合金电接触性能研究表明,燃弧时间和燃弧能量随电压的增大而增大,且电压越大能量波动越大,越不稳定。燃弧时间和燃弧能量随 La2O3掺杂量的增加呈现波动趋势,La2O3掺杂量为2.0%时最小且最稳定。接触电阻随电流的增大而明显减小,但几乎不随电压变化;加入 La2O3后电阻略有降低,但变化不大, La2O3的添加量(0.5%-3.0%)对接触电阻的影响很小。在挤压比较大、挤压温度为1070℃时电接触材料的致密度、导电率等都得到了提升,在电接触过程中的能量损失较小。  本论文通过水热-共还原法制备出了纳米稀土钨铜复合粉体,粉体不仅形态好、均匀性高,而且稀土元素起到了进一步细化晶粒的作用;采用真空烧结联合包套热挤压工艺保证了 W-Cu-La2O3合金的高致密性;同时,稀土元素掺杂提高了复合材料的烧结活性,降低了烧结温度,净化了晶界,改善了材料的物理、力学性能与电接触性能,具有较高的实用价值。
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