一种气相碳化法原位反应制备W/WC复合粉末的方法

摘要

本发明公开了一种气相碳化法原位反应制备W/WC复合粉末的方法，具体为：称取钨粉和酚醛树脂，并分别平铺于方舟中；将方舟置于气氛炉中，在Ar气氛保护下，升温、加热、保温，冷却至室温，即得到W/WC复合粉末。采用本发明方法制得的W/WC复合粉末，弥散分布于W颗粒表面的WC纳米颗粒一方面可以提高钨基合金的高温性能，另一方面对合金强度起到钉扎作用。因此，W/WC复合粉末作为原始粉末制备钨基合金，可以提高合金的高温性能，同时避免了直接添加WC纳米颗粒时易发生团聚的问题。

说明书

技术领域

本发明属于复合粉末制备技术领域，具体涉及一种气相碳化法原位反应制备W/WC复合粉末的方法。

背景技术

钨基合金因其具有钨高熔点、高硬度、低的热膨胀系数等性能，广泛应用于高压开关用电触头、各种导弹的喉衬、燃气舵、鼻锥等耐高温部件，因此需要其具有良好的高温性能。但是任何金属在高温下都会软化，如钨铜合金在900℃时抗压强度仅为室温时的17％左右。陶瓷颗粒作为一种增强相，其在高温时的力学性能与室温时相当，因而引入陶瓷颗粒增强相是提高钨基合金高温性能的最佳选择。为了获得均匀分布、与基体具有良好界面结合的陶瓷颗粒增强钨基合金，还需从源头粉末来改进。WC作为一种陶瓷相，其不但在室温下具有较高的硬度，且在高温下硬度与室温时相当，可以作为硬质材料和高温用材料的一种添加剂。已有研究者将WC作为一种外加颗粒直接引入到钨基合金中，对合金的性能有一定程度的改善，且随着WC颗粒的细化，其性能更优。但WC作为一种外加颗粒，制备过程中难免发生团聚现象，影响钨基合金的性能发挥。因而，需要提出更加有效的引入方式，在保证WC分布均匀性及与钨良好结合性能的前提下，提高钨基合金的高温强度。本发明采用气相碳化法在钨粉末中原位反应生成WC陶瓷相，制备出W/WC复合粉末，为制备高温性能优良的钨基合金提供一种新的复合粉末。

发明内容

本发明的目的是提供一种气相碳化法原位反应制备W/WC复合粉末的方法，为制备高温性能优良的钨基合金提供一种新的复合粉末。

本发明所采用的技术方案是，一种气相碳化法原位反应制备W/WC复合粉末的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，称取钨粉和酚醛树脂，并分别平铺于方舟中；

步骤2，将铺有钨粉和酚醛树脂方舟置于气氛炉中，在Ar气氛保护下，升温、加热、保温，冷却至室温，即得到W/WC复合粉末。

本发明特点还在于，

步骤1中所述钨粉和酚醛树脂的质量比为1:0.5～2。

步骤1中钨粉和酚醛树脂分别位于方舟的两侧。

步骤1中方舟设置有两个，钨粉位于左方舟左侧，酚醛树脂等分为两部分，一部分位于左方舟右侧，另一部分位于右方舟左侧。

步骤1中还设置有上方舟，上方舟位于左右方舟上方，上方舟覆盖左右方舟中的酚醛树脂。

步骤2中Ar气气流量为0.5～1.5L/min。

步骤2中升温速率为10～20℃/min，加热温度为800～1000℃，保温时间为30～120min。

步骤2中Ar气气流从放置酚醛树脂的方舟一侧通入。

本发明的有益效果是，本发明一种气相碳化法原位反应制备W/WC复合粉末的方法，首先按照一定的质量比称量钨粉和酚醛树脂，然后将装有钨粉和酚醛树脂的方舟在气氛炉中进行气相碳化，即得W/WC复合粉末。制得的W/WC复合粉末，弥散分布于W颗粒表面的WC纳米颗粒一方面可以提高钨基合金的高温性能，另一方面对合金强度起到钉扎作用。因此，W/WC复合粉末作为原始粉末制备钨基合金，可以提高合金的高温性能，同时避免了直接添加WC纳米颗粒时易发生团聚的问题。

附图说明

图1是本发明中各原料放置方式示意图；

图2是本发明实施例3气相碳化法原位反应制备得到的W/WC复合粉末的SEM图。

图中，1.左方舟，2.右方舟，3.上方舟，4.钨粉，5.酚醛树脂。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种气相碳化法原位反应制备W/WC复合粉末的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按照质量比1:0.5～2称取钨粉和酚醛树脂，准备三个方舟，其中两个方舟相邻放置，如图1所示，将钨粉4平铺在左方舟1的左侧，将酚醛树脂5等分为两部分，一部分平铺于左方舟1的右侧，另一部分平铺在右方舟2的左侧，然后将上方舟3置于两个方舟上方，上方舟覆盖左右两方舟内的酚醛树脂；

步骤2，将步骤1设置好的装有粉末的方舟置于气氛炉加热体的中间位置，气流从右方舟一侧进入气氛炉，在气体流量为0.5～1.5L/min的Ar气氛保护下，以10～20℃/min的升温速度加热到800～1000℃，在目标温度保温30～120min之后随炉冷却，直到炉体温度降为室温后，关闭保护气体，即得到W/WC复合粉末。

本发明中钨粉和酚醛树脂的质量比直接决定碳化反应的进行程度，因为实验所用酚醛树脂的残碳率约为50％，加之在气氛炉中气相碳化的过程气流也会带走大量的含碳气体，如果碳量不足将无法得到WC，或只能得到脆性的W₂C，如果碳量过剩，粉末中残留的碳源也会影响其后期使用。

粉末的放置顺序和方舟的放置方式是为了保证酚醛树脂热分解产生的含碳气体能够顺着三个方舟形成的气流通道流动，在高温下尽可能使碳更多的沉积在钨粉末的表面。

此外本发明通过氩气流使得酚醛树脂的热解含碳气体与钨粉末进行碳化，相比于固态碳源，其更易与W反应，在低温下生成WC陶瓷相，降低了反应温度，提高了制备过程的可控性；通过热力学条件的调控，对生成的WC颗粒的尺寸及数量进行可控制备。

本发明一种气相碳化法原位反应制备W/WC复合粉末的方法，首先按照一定的质量比称量钨粉和酚醛树脂，随后按照组装要求将装有钨粉和酚醛树脂的方舟在气氛炉中进行气相碳化，即得W/WC复合粉末。制得的W/WC复合粉末中，弥散分布于W颗粒表面的WC纳米颗粒，一方面可以提高钨基合金的高温性能，另一方面对合金强度起到钉扎作用。因此，W/WC复合粉末作为原始粉末制备钨基合金，可以提高合金的高温性能，同时避免了直接添加WC纳米颗粒时易发生团聚的问题。

实施例1

步骤1，按照质量比2:1称取钨粉和酚醛树脂，准备三个方舟，其中两个方舟相邻放置，如图1所示，将钨粉4平铺在左方舟1的左侧，将酚醛树脂5等分为两部分，一部分平铺于左方舟1的右侧，另一部分平铺在右方舟2的左侧，然后将上方舟3置于两个方舟上方，上方舟覆盖左右两方舟内的酚醛树脂；

步骤2，将步骤1设置好的装有粉末的方舟置于气氛炉加热体的中间位置，气流从右方舟一侧进入气氛炉，在气体流量为0.5L/min的Ar气氛保护下，以20℃/min的升温速度加热到800℃，在目标温度保温30min之后随炉冷却，直到炉体温度降为室温后，关闭保护气体，即得到W/WC复合粉末。

实施例2

步骤1，按照质量比1:1称取钨粉和酚醛树脂，准备三个方舟，其中两个方舟相邻放置，如图1所示，将钨粉4平铺在左方舟1的左侧，将酚醛树脂5等分为两部分，一部分平铺于左方舟1的右侧，另一部分平铺在右方舟2的左侧，然后将上方舟3置于两个方舟上方，上方舟覆盖左右两方舟内的酚醛树脂；

步骤2，将步骤1设置好的装有粉末的方舟置于气氛炉加热体的中间位置，气流从右方舟一侧进入气氛炉，在气体流量为1.5L/min的Ar气氛保护下，以15℃/min的升温速度加热到900℃，在目标温度保温75min之后随炉冷却，直到炉体温度降为室温后，关闭保护气体，即得到W/WC复合粉末。

实施例3

步骤1，按照质量比3:2称取钨粉和酚醛树脂，准备三个方舟，其中两个方舟相邻放置，如图1所示，将钨粉4平铺在左方舟1的左侧，将酚醛树脂5等分为两部分，一部分平铺于左方舟1的右侧，另一部分平铺在右方舟2的左侧，然后将上方舟3置于两个方舟上方，上方舟覆盖左右两方舟内的酚醛树脂；

步骤2，将步骤1设置好的装有粉末的方舟置于气氛炉加热体的中间位置，气流从右方舟一侧进入气氛炉，在气体流量为1.0L/min的Ar气氛保护下，以10℃/min的升温速度加热到1000℃，在目标温度保温120min之后随炉冷却，直到炉体温度降为室温后，关闭保护气体，即得到W/WC复合粉末。

实施例4

步骤1，按照质量比2:3称取钨粉和酚醛树脂，准备三个方舟，其中两个方舟相邻放置，如图1所示，将钨粉4平铺在左方舟1的左侧，将酚醛树脂5等分为两部分，一部分平铺于左方舟1的右侧，另一部分平铺在右方舟2的左侧，然后将上方舟3置于两个方舟上方，上方舟覆盖左右两方舟内的酚醛树脂；

步骤2，将步骤1设置好的装有粉末的方舟置于气氛炉加热体的中间位置，气流从右方舟一侧进入气氛炉，在气体流量为1.3L/min的Ar气氛保护下，以13℃/min的升温速度加热到850℃，在目标温度保温100min之后随炉冷却，直到炉体温度降为室温后，关闭保护气体，即得到W/WC复合粉末。

实施例5

步骤1，按照质量比1:2称取钨粉和酚醛树脂，准备三个方舟，其中两个方舟相邻放置，如图1所示，将钨粉4平铺在左方舟1的左侧，将酚醛树脂5等分为两部分，一部分平铺于左方舟1的右侧，另一部分平铺在右方舟2的左侧，然后将上方舟3置于两个方舟上方，上方舟覆盖左右两方舟内的酚醛树脂；

步骤2，将步骤1设置好的装有粉末的方舟置于气氛炉加热体的中间位置，气流从右方舟一侧进入气氛炉，在气体流量为0.8L/min的Ar气氛保护下，以18℃/min的升温速度加热到950℃，在目标温度保温50min之后随炉冷却，直到炉体温度降为室温后，关闭保护气体，即得到W/WC复合粉末。

附图2为本发明实施例3制备得到的W/WC复合粉末的SEM图。由附图2可以看到，在W颗粒表面原位生长出弥散分布的WC纳米颗粒，且颗粒的分布较为均匀，通过具体工艺方案的调控，可以对颗粒的尺寸及数量进行控制。其一方面可以提高钨基合金的高温性能，另一方面对合金强度起到钉扎作用。因此，作为原始粉末制备钨基合金，可以提高合金的高温性能。