双尺度晶粒分布钨的真空烧结及其性能的研究

摘要

为了提高纳米金属钨的烧结性能，降低其脆性，本文采用“两步法”制备纳米晶与微米晶双尺度晶粒分布的钨块材料。以偏钨酸铵为钨源，柠檬酸为晶体生长控制剂，利用溶胶凝胶法制备纳米WO3粉体。分别研究了溶胶体系的pH值、温度对纳米WO3粉体的物相和形貌的影响。利用氢气还原WO3制备出纯净的纳米W粉，将其与工业微米W粉通过行星式球磨机混合均匀，采用真空热压烧结技术制备双尺度晶粒分布W块材料。使用XRD、SEM、TEM等测试纳米WO3、纳米W粉及W块体材料的物相组成、晶体结构、微观形貌和显微组织，并使用电子天平、显微硬度计等测试了 W块体样品的密度、显微硬度，研究了烧结温度、烧结时间、烧结压力对所制备 W块体样品烧结性能的影响，计算了双尺度颗粒分布W粉的晶粒长大扩散激活能，探究其晶粒长大规律。
　　研究结果表明：利用溶胶凝胶法制备纳米WO3粉体，通过控制pH值为1、反应温度为70℃、焙烧温度为600℃时，得到均匀的球状三斜晶系 WO3粉体，平均颗粒尺寸为40-50 nm。将得到的纳米WO3粉体分别在500℃和800℃两个温度区间进行氢气还原工艺，得到纯净的球状纳米W粉，平均颗粒大小为70nm左右。将工业微米W粉和纳米W粉按不同比例通过球磨机进行酒精湿混，球料比为5:1，转速100r/min，球磨时间为30min，得到分布均匀的双尺度颗粒分布W粉。采用真空热压烧结工艺对双尺度颗粒分布W粉进行烧结，当烧结时间为120min，烧结压力为150MPa，微/纳米W粉的混粉比例为30％，随着烧结温度从1100℃升高至1400℃，双尺度晶粒分布W块材料的相对致密度从80%提高到93%，平均晶粒尺寸从400nm增加至930nm，材料的显微硬度从187HV500增加至412HV500；当烧结温度为1300℃，烧结时间为120min，微/纳米W粉的混粉比例为30%，随着烧结压力从100MPa增加至250MPa，双尺度晶粒分布的W块材料的相对致密度从78%提高到95%，平均晶粒尺寸从400nm增加至1.10μm，材料的显微硬度从213HV500增加至503HV500；当烧结温度为1300℃时，烧结压力200MPa、烧结时间150min时制备出的双尺度晶粒分布的W块材料平均晶粒大小为854nm，其中，最大晶粒尺寸为6.10μm，最小的为210nm，致密度为95%，材料的显微硬度为445HV500，为最优化烧结工艺。同时，为了进行对比分析，用溶胶凝胶法制备出的纯纳米 W粉在相同的烧结工艺参数下进行真空热压烧结，制备出的 W块材料晶粒大小均匀，晶粒尺寸在2.5-3μm,为微米晶W块材料。因此，在纳米W粉中加入微米W粉，可以明显抑制纳米W粉在热压烧结时的晶粒长大。
　　通过拟合计算，双尺度颗粒分布的W粉的烧结扩散激活能为145.495kJ/mol，远小于工业微米W粉的烧结扩散激活能587.9 kJ/mol，具有较高的温度敏感性，晶粒容易长大。同时由于双尺度分布W粉中大颗粒W的存在，导致扩散激活能略大于纯纳米晶W的扩散激活能134 kJ/mol，有助于提高原子扩散能垒，阻止纳米晶粒的长大。
　　对双尺度晶粒W块和纯微米晶W块在不同温度下测量其显微硬度，在200℃时双尺度晶粒W块的压痕周围能观察到明显的裂纹，在250℃、350℃和425℃的压痕周围没有明显的裂纹，表明双尺度晶粒分布纯钨的塑脆转变(DBTT)发生在200℃至250℃之间。微米晶 W块在350℃的显微硬度为428HV500，在显微硬度压痕印模周围发现细小裂纹；在425℃时显微硬度为405HV500，裂纹基本消失，微米晶 W在此温度区间经历了塑脆转变。因此，相对微米晶W块而言，双尺度晶粒分布可以降低纯W材料的塑脆转变温度。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 纳米材料

1.3 超细晶/纳米晶粉体的制备方法

1.4 制备双尺度晶粒分布材料的烧结方式

1.5 本文研究内容

第二章 双尺度晶粒分布W块材料的制备及测试

2.1 实验原料及设备

2.2 纳米WO3、纯W粉体的制备

2.3 混粉

2.4 真空热压烧结

2.5 样品的表征测试

第三章 纳米粉体及双尺度粉体的制备及表征

3.1 溶胶凝胶反应机理

3.2 pH值对纳米WO3的影响

3.3 溶胶反应温度对纳米三氧化钨的影响

3.4 纳米钨粉的制备

3.5 双尺度颗粒分布W粉的制备及表征

3.6 本章小结

第四章 双尺度晶粒分布W块材料的显微组织分析

4.1 双尺度晶粒分布W块材料的显微组织分析

4.2 纯微米晶W块材料的显微组织分析

4.3 双尺度颗粒分布W粉体烧结过程中晶粒长大的动力学分析

4.4 本章小结

第五章 双尺度晶粒分布W块材料的性能表征

5.1 双尺度晶粒分布W块材料密度分析

5.2 双尺度晶粒分布W块材料显微硬度分析

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士期间科研成果

致谢