一種W-WSi₂功能梯度材料及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種W?WSi2功能梯度材料及其制備方法，該W?WSi2功能梯度材料的制備方法以鎢金屬為基體，通過熱浸鍍硅的方法使得Si原子在W基體中擴散，得到Si、W含量呈梯度變化、且在金屬鎢基體表面形成梯度層的W?WSi2功能梯度材料，具有梯度層形成速度快、制備時間短、梯度層厚度可控的特點；該W?WSi2功能梯度材料由金屬鎢基體向材料外表面方向的梯度變化規律為：金屬W材質的基體層、W5Si3材質的過渡層、WSi2材質的中間層以及WSi2與Si混合材質的表層，由過渡層、中間層和表層構成梯度層，其功能梯度層與基體結合緊密，材料整體具有很高的抗彎強度、抗拉強度和良好的高溫抗氧化性能，使用壽命長。
【專利說明】
一種W-WS i 2功能梯度材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及梯度復合材料制備技術領域，具體涉及一種熱浸鍍硅技術制備致密金屬/陶瓷功能梯度材料的方法，尤其涉及一種W-WSi2功能梯度材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]鎢金屬及其合金材料有著其他金屬材料無法比擬的空間適用性。金屬鎢具有熔點高(3410±20°C)、密度高(16.1g/cm3)、硬度高(1774MPa)、強度高(784MPa)、耐磨性好、吸收射線能力強、低的熱膨脹系數、良好的導熱性以及優越的抗腐蝕性等特點，已在國防軍工、航空航天、電子、化工、冶金、能源等許多領域中得到了廣泛的應用。被廣泛用作耐磨、耐蝕和熱屏蔽材料，如固體火箭發動機噴管喉襯材料、藥型罩材料、各種武器表面涂層、火箭彈和炮彈的戰斗部、X射線機中的靶材、高溫電阻爐加熱元件、微電子器件中的探針和觸頭、汽車發動機的傳感器等。尤其是近年來在航空航天和熱核聚變堆中的應用已引起了世界范圍內的關注和重視。但是，鎢及其合金的比重大、塑一脆轉變溫度高和抗氧化性差，尤其是抗高溫氧化性差的缺陷極大的限制了鎢及其合金在超高溫領域中的應用。目前許多研究工作者試圖通過各種方法來解決這個復雜的問題，如研制一系列鎢合金(W-Nb、W-Mo、W-C等)，雖然能提高制品的使用壽命，但是，在氧化層內大量形成W03，使材料的強度明顯降低，沒有從根本上解決鎢及其合金在氧化介質中的氧化失效問題。
[0003]然而，二硅化鎢(WSi2)具有金屬和陶瓷的雙重特性，是一種優良的超高溫陶瓷材料，在航空航天等軍事領域發揮了重要作用。WSi2具有與MoSi2相同的晶體結構，其熔點(2160°C)比MoSi2熔點(2030°C)更高，可與MoSi2形成固溶體(Mo，W)Si2，其蠕變速率低于MoSi2，1500°C的屈服應力為純MoSi2的8?10倍。并且，WSi2具有優異的高溫抗氧化性和耐蝕性、良好的導電導熱性。WSi2的防護作用主要是依靠高溫條件下表層形成致密的二氧化硅氧化膜，表層形成的硅氧化薄膜阻止了空氣中氧元素的內擴散，使得合金基體免受深度氧化進而起到提高合金壽命的作用。該材料在高溫結構陶瓷材料、復合材料、耐火材料、熱障涂層、電極材料、耐腐蝕耐磨涂層、切削材料、防靜電涂層材料等諸多領域引起了人們的廣泛關注和應用。但是，WSi2的室溫脆性、難切削加工等問題，常常使其應用范圍受到限制，在一些特殊環境下使用時難以正常服役，導致器件的短壽命。
[0004]從上面的論述中可以看出，金屬鎢和二硅化鎢都有其各自特殊的優點和缺陷。如果單獨使用這兩種材料，由于其缺陷的存在，使它們的特殊優點都不能得到充分利用。
[0005]如果能夠制備一種新材料，它不但具有金屬鎢和二硅化鎢兩種材料的特性優點，而能又克服兩種材料的缺陷，那將使這種新材料的使用范圍大大增大，使用壽命大大延長。

【發明內容】

[0006]針對現有技術中存在的上述不足，本發明的目的在于提供一種具有良好導電導熱性、高溫抗蠕變性和高溫抗氧化性能的W-WSi2功能梯度材料，該材料具備具有金屬鎢和二硅化鎢兩種材料的特性優點，而又克服了兩種材料的缺陷，用以解決現有技術中金屬鎢和二硅化鎢制品的使用壽命和應用范圍受限的問題。
[0007]為實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案:
一種W-WSi2功能梯度材料，在金屬鎢基體表面具有梯度層，其材質沿金屬鎢基體向梯度層表面為四階段相，由金屬鎢基體向材料外表面方向的梯度變化規律為:金屬W材質的基體層、W5Si3材質的過渡層、WSi2材質的中間層以及WSi2與Si混合材質的表層；由過渡層、中間層和表層構成梯度層。
[0008]上述的W-WSi2功能梯度材料中，所述梯度層的厚度為30?75μπι。
[0009]此外，本發明還提供了上述W-WSi2功能梯度材料的制備方法;為此，本發明采用了如下的技術方案:
上述W-WS i 2功能梯度材料的制備方法，包括如下步驟:
1)將鎢金屬板拋光、清潔后，作為金屬鎢基體備用；
2)將純度為5N的多晶硅放入高溫加熱爐內，在真空或惰性氣氛保護下加熱為熔融硅液，然后把作為金屬鎢基體的鎢金屬板放入高溫加熱爐內的熔融硅液中進行熱浸鍍硅，得到在金屬鎢基體表面具有梯度層的W-WSi2功能梯度材料熱胚；
3)將W-WSi2功能梯度材料熱胚從熔融硅液中取出，在加熱爐內停留靜置，然后用室溫的惰性氣體噴吹W-WSi2功能梯度材料熱胚的表面進行冷卻，最后將其從加熱爐內取出，得到W-WSi2功能梯度材料。
[0010]上述W-WSi2功能梯度材料的制備方法中，作為優選方案，所述步驟2)中，多晶硅放入高溫加熱爐內后，在真空或惰性氣氛保護下，控制高溫加熱爐內升溫至1450?1600 °C，恒溫30?50min，使得多晶硅加熱為熔融硅液。
[0011]上述W-WSi2功能梯度材料的制備方法中，作為優選方案，所述步驟2)中，熱浸鍍硅的溫度為1450?1600 °C，熱浸鍍硅的時間為15?45min。
[0012]上述W-WSi2功能梯度材料的制備方法中，作為優選方案，所述步驟3)中，將W-WSi2功能梯度材料熱胚從熔融硅液中取出后，在加熱爐內停留靜置的位置為加熱爐內溫度小于或等于400 0C的區域位置處，停留靜置時間為3~5min。
[0013]上述W-WSi2功能梯度材料的制備方法中，作為優選方案，所述步驟3)中，用室溫的惰性氣體噴吹W-WSi2功能梯度材料熱胚的表面的惰性氣體噴吹流量為5?8L/min，且噴吹直至W-WSi2功能梯度材料熱胚的表面溫度降至100?200 °C時，噴吹冷卻結束。
[0014]相比于現有技術，本發明具有如下有益效果:
1、本發明針對現有鎢金屬和純WSi2陶瓷的缺陷，根據固態擴散基本理論，提出了一種W-WSi2功能梯度材料及其制備方法，以鎢金屬為基體，通過熱浸鍍硅的方法使得Si原子在W基體中擴散，得到S1、W含量呈梯度變化、且在金屬鎢基體表面形成梯度層的W-WSi2功能梯度材料。
[0015]2、本發明的W-WSi 2功能梯度材料方法具有梯度層形成速度快、制備時間短、梯度層厚度可隨意控制的特點。
[0016]3、本發明的W-WSi2功能梯度材料能夠充分發揮二硅化鎢優良的抗氧化能力以及金屬鎢的導電、導熱、高韌性和高強度的特點，從而克服二硅化鎢陶瓷材料的脆性和難以加工成復雜形狀的缺點，同時克服了金屬鎢在高溫氧化介質中易氧化失效的缺點。
[0017]4、本發明的W-WSi2功能梯度材料中金屬鎢和二硅化鎢兩種材料之間的結合面呈逐漸過渡，金屬鎢基體與梯度層之間的成分變化較小，梯度層表面光滑致密，沒有氣孔和裂紋缺陷，梯度層表面具高硅含量，梯度層中的元素分布和物質組成呈梯度過渡，梯度層與鎢基體之間結合緊密，且梯度層耐高溫抗氧化，具有很高的顯微硬度，使得W-WSi2功能梯度材料具備較高的抗彎強度和抗拉強度，延長了材料使用壽命。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明W-WSiJj]能梯度材料的梯度層S1、W元素分布變化曲線圖。
[0019]圖2為本發明W-WSi2功能梯度材料的梯度層物相組成分布圖。
[0020]圖3為一幅本發明W-WSi2功能梯度材料的斷面微觀結構圖。
[0021 ]圖4為另一幅本發明W-WSi2功能梯度材料的斷面微觀結構圖。
[0022]圖5為本發明實施例1中所得W-WSi2功能梯度材料經1600°C氧化后的斷面形貌圖圖6為本發明實施例1中所得W-WSi2功能梯度材料經16000C氧化后的表面形貌圖。
【具體實施方式】
[0023]針對于現有技術中金屬鎢抗氧化性差、二硅化鎢切削加工難，導致金屬鎢和二硅化鎢制品的使用壽命和應用范圍受限的問題，如果能夠制備一種新材料，它不但具有金屬鎢和二硅化鎢兩種材料的特性優點，而又能克服兩種材料的缺陷，那將使這種新材料的使用范圍大大增大，使用壽命大大延長。
[0024]據此思路，本發明把金屬鎢和二硅化鎢制備成一種功能梯度材料，使二硅化鎢緊緊的包覆在金屬鎢的表面，形成由金屬鎢基體向材料外表面方向依次為金屬鎢材質(基體層)—W5Si3材質(過渡層)—WSi2材質(中間層)—WSi2與Si混合材質材質(表層)梯度變化規律的W-WSi2功能梯度材料，其中，由過渡層、中間層和表層構成金屬鎢基體表面的梯度層，使得其材質沿金屬鎢基體向梯度層表面為四階段相。該W-WSi2功能梯度材料能夠充分發揮二硅化鎢優良的抗氧化能力以及金屬鎢的導電、導熱、高韌性和高強度的特點，從而克服二硅化鎢陶瓷材料的脆性和難以加工成復雜形狀的缺點，同時克服了金屬鎢在高溫氧化介質中易氧化失效的缺點；同時，在W-WSi2功能梯度材料中金屬鎢和二硅化鎢兩種材料之間的結合面呈逐漸過渡，金屬鎢基體與梯度層之間的成分變化較小，因此金屬鎢基體與梯度層間的熱應力大大減小，避免了 W-WSi2功能梯度材料在使用過程中由于熱應力不匹配而導致裂紋產生的現象，延長了材料使用壽命。因此，這種W-WSi2功能梯度材料具有優異的耐超高溫燒蝕性和高溫抗氧化性能，能夠應用于高超音速飛行器的鼻錐、尖銳前緣、發動機熱端等各種關鍵部位或部件，甚至可能在超高音速長時飛行、大氣層再人、跨大氣層飛行和火箭推進系統等極端環境中發揮極大的應用潛力。
[0025]本發明W-WSi2功能梯度材料的制備方法包括如下步驟:
I)將鎢金屬板拋光、清潔后，作為金屬鎢基體備用。
[0026]該步驟中，可以采用金相拋光機對鎢金屬板進行拋光，可以通過超聲波清洗和干燥等操作，完成對拋光鎢金屬板的清潔處理，即可作為金屬鎢基體。
[0027]2)將純度為5N的多晶硅放入高溫加熱爐內，在真空或惰性氣氛保護下加熱為熔融硅液，然后把作為金屬鎢基體的鎢金屬板放入高溫加熱爐內的熔融硅液中進行熱浸鍍硅，得到在金屬鎢基體表面具有梯度層的W-WSi2功能梯度材料熱胚。
[0028]該步驟中，高溫加熱爐可以使用高溫電爐或者其它常用的熱浸鍍高溫爐設備。多晶硅放入高溫加熱爐內后，將多晶硅加熱至熔融的具體處理方式可以為:在真空或惰性氣氛保護下，控制高溫加熱爐內升溫至1450?1600°C，恒溫30?50min，使得多晶硅加熱為熔融硅液。該多晶硅熔融處理過程需要注意防止硅氧化，所以需要真空或惰性氣氛保護下進行。而對于鎢金屬板在熔融硅液中的熱浸鍍硅處理，其熱浸鍍硅的溫度最好為1450?1600°C，熱浸鍍硅的時間最好為15?45min，如此加工可以使得最終所得W-WSi2功能梯度材料的梯度層厚度達到為30?75μπι，從而保證梯度層的顯微硬度以及W-WSi2功能梯度材料的平均抗彎強度和抗拉強度等性能參數達到較高的強度性能要求。
[0029]3)將W-WSi2功能梯度材料熱胚從熔融硅液中取出，在加熱爐內停留靜置，然后用室溫的惰性氣體噴吹W-WSi2功能梯度材料熱胚的表面進行冷卻，最后將其從加熱爐內取出，得到W-WSi2功能梯度材料。
[0030]該步驟中，將W-WSi2功能梯度材料熱胚從熔融硅液中取出后，在加熱爐內停留靜置時，停留靜置的位置最好是在加熱爐內溫度小于或等于400°C的區域位置處，停留靜置時間最好達到3~5min，使得W-WSi2功能梯度材料熱胚的溫度降至400?500 °C之后，再進行惰性氣體噴吹冷卻;而用室溫的惰性氣體噴吹W-WSi2功能梯度材料熱胚的表面的惰性氣體噴吹流量最好為5?8L/min，且噴吹直至W-WSi2功能梯度材料熱胚的表面溫度降至100?200°C時，噴吹冷卻結束;最后將溫度降至100?200°C的W-WSi2功能梯度材料熱胚從加熱爐內取出，在室溫條件下冷卻，得到最終的W-WSi2功能梯度材料。這里采用了多步冷卻環節，一方面是先使得熱胚冷卻到400?500°C左右后，再用室溫的惰性氣體噴吹冷卻，最后室溫冷卻，目的是通過逐步冷卻的方式，避免直接噴吹冷卻導致W-WSi2功能梯度材料因急劇冷卻而形成裂紋;另一方面，在W-WSi2功能梯度材料熱胚降溫到100?200°C之前，都保持其位于加熱爐內，并且其間使用惰性氣體噴吹冷卻，目的是為了避免W-WSi2功能梯度材料的梯度層在成型前被空氣氧化，影響梯度層的抗氧化性能和強度性能。
[0031]在上述制備W-WSi2功能梯度材料的過程中，在對金屬鎢基體進行熱浸鍍硅處理時，Si原子通過固態擴散的方式擴散到鎢基體內，隨著擴散深度的變化，Si原子和W原子經固態反應后形成了一系列的金屬間化合物，最終在鎢基體上形成了具有良好耐高溫防氧化性能的含有S1、WSi2、W5Si3材料的梯度層，并且這些化合物的含量隨梯度層厚度變化呈現出梯度變化的形式，極大的降低了梯度層與鎢基體間的熱應力，改善了梯度層的力學性能。同時該梯度層表面還具有較高的硅含量(質量百分數能夠達到70?80%)，可以阻止WSi2的大量氧化，減少WO3的產生，進一步增加梯度層的高溫抗氧化能力。圖1示出了本發明W-WSi2功能梯度材料的梯度層中S1、w元素隨梯度層厚度的分布變化曲線圖。圖2示出了本發明W-WSi2功能梯度材料的梯度層物相組成分布圖。圖3和圖4為兩幅本發明W-WSi2功能梯度材料的斷面微觀結構圖。從圖1至圖4中，可以看到本發明W-WSi2功能梯度材料的四階段相分布以及梯度層物相分布情況。
[0032]此外，采用本發明的W-WSi2功能梯度材料制備方法，梯度層中的S1、WSi2、W5Si3含量和梯度層厚度可通過熱浸鍍硅的工藝條件進行控制，熱浸鍍溫度越高，時間越長，則S1、WSi2、W5Si3的含量越高，梯度層厚度越厚，因此可以根據實際制品的需要來控制加工W-WSi2功能梯度材料的梯度層厚度。
[0033]總體而言，該W-WSi2功能梯度材料制備方法具有梯度層形成速度快、制備時間短、無環境污染、梯度層厚度可隨意控制的特點，所得W-WSi2功能梯度材料的梯度層表面光滑致密，沒有氣孔和裂紋缺陷，梯度層表面具高硅含量，梯度層中的元素分布和物質組成呈梯度過渡，梯度層與鎢基體之間結合緊密，具有耐高溫抗氧化的特點，且梯度涂層極大的延長了鎢金屬在高溫氧化氣氛中的使用壽命。
[0034]下面用實施方式來說明本發明方法。應該理解的是這些實施方式僅僅是用于進一步說明本發明的實施方案，而不是用于限制本發明。
[0035]實施例1:
一種W-WSi2功能梯度材料的制備方法:將媽金屬板(尺寸規格為50mmX 20mmX 2mm)用金相拋光機拋光后，再用超聲波清洗干凈，干燥后作為金屬鎢基體待用；取200g純度為5N的塊狀多晶硅裝入剛玉坩鍋，放入氬氣保護的高溫電爐內升溫至1450°C，恒溫50min，使得多晶硅加熱為熔融硅液，然后把準備好的作為金屬鎢基體的鎢金屬板放入熔融硅液中，在溫度1450 °C下熱浸鍍硅15min后，將得到的W-WSi 2功能梯度材料熱胚緩慢從熔融硅液中取出，在電爐爐溫內<400°C的溫度段區域位置處(例如靠近爐口位置)停留靜置5min后，用剛玉噴頭將流量為5L/min的氬氣快速吹到W-WSi2功能梯度材料熱胚表面進行冷卻，待W-WSi2功能梯度材料熱胚表面溫度降至100°C時將其從加熱爐內取出并進行室溫冷卻后，得到W-WSi2功能梯度材料。
[0036]對所得W-WSi2功能梯度材料的梯度層表面形貌、斷面厚度及S1、W含量分布、表面物相分析。結果表明，得到的W-WSi2功能梯度材料表面致密平整，梯度層表面具有高硅含量(78%)，梯度層表層由WSi2和純Si混合材質構成(厚度為3μπι)，中間層由柱狀WSi2晶粒構成(厚度為20μπι)，過渡層由評設3材質構成(厚度為7μπι)，最內側為鎢基體，整個梯度層的厚度為30μπι。該W-WSiJj]能梯度材料具有很高的顯微硬度(10121MPa)、抗彎強度(1023ΜΡ)和抗拉強度(2O41MPa )，較純WSi 2材料的彎曲強度(615MPa)和抗拉強度(585MPa )分別提高了66.34%和2.48倍，在1200?1800°C空氣中，W-WSidj^g梯度材料的梯度層表面很快形成了連續致密的S12保護膜，該梯度層具有良好的高溫抗氧化性，可以使W-WSi2功能梯度材料在1600°C的氧化氣氛中長期使用超過120小時。
[0037]本實施例中，W-WSi2功能梯度材料經1600°C氧化后的斷面形貌圖和表面形貌圖分另Ij如圖5和圖6所示。
[0038]實施例2:
一種W-WSi2功能梯度材料的制備方法:將媽金屬板(尺寸規格為50mmX 20mmX 2mm)用金相拋光機拋光后，再用超聲波清洗干凈，干燥后作為金屬鎢基體待用。取200g純度為5N的塊狀多晶硅裝入剛玉坩鍋，放入氬氣保護的高溫電爐內升溫至1500°C，恒溫45min，使得多晶硅加熱為熔融硅液，然后把準備好的作為金屬鎢基體的鎢金屬板放入熔融硅液中，在溫度1500 0C下熱浸鍍硅30min后，將得到的W-WSi2功能梯度材料熱胚緩慢從熔融硅液中取出，在電爐爐溫內<400°C的溫度段區域位置處(例如靠近爐口位置)停留4min后，用剛玉噴頭將流量為6L/min的氬氣快速吹到W-WSi2功能梯度材料熱胚表面進行冷卻，待W-WSi2功能梯度材料熱胚表面溫度降至150°C時將其從加熱爐內取出并進行室溫冷卻后，得到W-WSi2功能梯度材料。
[0039]對所得W-WSi2功能梯度材料的梯度層表面形貌、斷面厚度及S1、W含量分布、表面物相分析。結果表明，得到的W-WSi2功能梯度材料表面致密平整，梯度層表面具有高硅含量(75%)，梯度層表層由WSi2和純Si混合材質構成(厚度為8μπι)，中間層由柱狀WSi2晶粒構成(厚度為40μπι)，過渡層由評設3材質構成(厚度為12μπι)，最內側為鎢基體，整個梯度層的厚度為60μπι。該W-WSi2功能梯度材料具有很高的顯微硬度(10143MPa)、抗彎強度(1007ΜΡ)和抗拉強度(2O26MPa )，較純WSi 2材料的彎曲強度(615MPa)和抗拉強度(585MPa )分別提高了63.74%和2.46倍，在1200?1800°C空氣中，W-WSidj^g梯度材料的梯度層表面很快形成了連續致密的S12保護膜，該梯度層具有良好的高溫抗氧化性，可以使W-WSi2功能梯度材料在1600°C的氧化氣氛中長期使用超過160小時。
[0040] 實施例3:
一種W-WSi2功能梯度材料的制備方法:將媽金屬板(尺寸規格為50mmX 20mmX 2mm)用金相拋光機拋光后，再用超聲波清洗干凈，干燥后作為金屬鎢基體待用。取200g純度為5N的塊狀多晶硅裝入剛玉坩鍋，放入氬氣保護的高溫電爐內升溫至1600°C，恒溫30min，使得多晶硅加熱為熔融硅液，然后把準備好的作為金屬鎢基體的鎢金屬板放入熔融硅液中，在溫度1600 0C下熱浸鍍硅45min后，將得到的W-WSi2功能梯度材料熱胚緩慢從熔融硅液中取出，在電爐爐溫內彡400°C的溫度段區域位置處(例如靠近爐口位置)停留3min后，用剛玉噴頭將流量為8L/min的氬氣快速吹到W-WSi2功能梯度材料熱胚表面進行冷卻，待W-WSi2功能梯度材料熱胚表面溫度降至200°C時將其從加熱爐內取出并進行室溫冷卻后，得到W-WSi2功能梯度材料。
[0041 ]對所得W-WSi2功能梯度材料的梯度層表面形貌、斷面厚度及S1、W含量分布、表面物相分析。結果表明，得到的W-WSi2功能梯度材料表面致密平整，梯度層表面具有高硅含量(71%)，梯度層表層由WSi2和純Si混合材質構成(厚度為ΙΟμπι)，中間層由柱狀WSi^ae粒構成(厚度為50μπι)，過渡層由15513材質構成(厚度為15μπι)，最內側為鎢基體，整個梯度層的厚度為75μπι。該W-WSiJj]能梯度材料具有很高的顯微硬度(10178MPa)、抗彎強度(992ΜΡ)和抗拉強度(2013MPa)，較純WSi2材料的彎曲強度(615MPa)和抗拉強度(585MPa)分別提高了61.30%和2.44倍，在1200?1800°C空氣中，W-WSidj^g梯度材料的梯度層表面很快形成了連續致密的S12保護膜，該梯度層具有良好的高溫抗氧化性，可以使W-WSi2功能梯度材料在1600°C的氧化氣氛中長期使用超過197小時。
[0042]通過上述三個實施例，可以看到，采用本發明方法所制得的W-WSi2功能梯度材料，其梯度層具有很高顯微硬度(平均顯微硬度為10147MPa)，平均抗彎強度和抗拉強度為1007MPa和2027MPa，較純WSi2材料的彎曲強度(615MPa)和抗拉強度(585MPa)平均分別提高了63.74%和2.46倍;并且，在1200?1800°C的空氣中，W-WSi2功能梯度材料表面很快形成了連續致密的S12保護膜，該梯度層具有良好的高溫抗氧化性，極大的延長了鎢金屬在高溫氧化氣氛中的使用壽命，可以使W-WSi2功能梯度材料在1600°C的氧化氣氛中長期使用超過120?197小時。
[0043]綜上所述，本發明針對現有鎢金屬和純WSi2陶瓷的缺陷，根據固態擴散基本理論，提出了一種W-WSi2功能梯度材料及其制備方法，以鎢金屬為基體，通過熱浸鍍硅的方法使得Si原子在W基體中的擴散，得到S1、W含量呈梯度變化、且在金屬鎢基體表面形成梯度層的W-WSi2功能梯度材料，并且本發明的W-WSi2功能梯度材料方法具梯度層形成速度快、制備時間短、梯度層厚度可隨意控制的特點。本發明的W-WSi2功能梯度材料能夠充分發揮二硅化鎢優良的抗氧化能力以及金屬鎢的導電、導熱、高韌性和高強度的特點，從而克服二硅化鎢陶瓷材料的脆性和難以加工成復雜形狀的缺點，同時克服了金屬鎢在高溫氧化介質中易氧化失效的缺點；該W-WSi2功能梯度材料中金屬鎢和二硅化鎢兩種材料之間的結合面呈逐漸過渡，金屬鎢基體與梯度層之間的成分變化較小，梯度層表面光滑致密，沒有氣孔和裂紋缺陷，梯度層表面具高硅含量，梯度層中的元素分布和物質組成呈梯度過渡，梯度層與鎢基體之間結合緊密，且梯度層耐高溫抗氧化，具有很高的顯微硬度，使得W-WSi2功能梯度材料具備較高的抗彎強度和抗拉強度，延長了材料使用壽命。
[0044]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1.一種W-WSi2功能梯度材料，其特征在于，在金屬鎢基體表面具有梯度層，其材質沿金屬鎢基體向梯度層表面為四階段相，由金屬鎢基體向材料外表面方向的梯度變化規律為:金屬W材質的基體層、W5Si3材質的過渡層、WSi2材質的中間層以及WSi2與Si混合材質的表層；由過渡層、中間層和表層構成梯度層。2.根據權利要求1所述的W-WSi2功能梯度材料，其特征在于，所述梯度層的厚度為30?75μ??ο3.如權利要求1所述W-WSi2功能梯度材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)將鎢金屬板拋光、清潔后，作為金屬鎢基體備用； 2)將純度為5N的多晶硅放入高溫加熱爐內，在真空或惰性氣氛保護下加熱為熔融硅液，然后把作為金屬鎢基體的鎢金屬板放入高溫加熱爐內的熔融硅液中進行熱浸鍍硅，得到在金屬鎢基體表面具有梯度層的W-WSi2功能梯度材料熱胚； 3)將W-WSi2功能梯度材料熱胚從熔融硅液中取出，在加熱爐內停留靜置，然后用室溫的惰性氣體噴吹W-WSi2功能梯度材料熱胚的表面進行冷卻，最后將其從加熱爐內取出，得到W-WSi^j]能梯度材料。4.根據權利要求3所述W-WSi2功能梯度材料的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中，多晶硅放入高溫加熱爐內后，在真空或惰性氣氛保護下，控制高溫加熱爐內升溫至1450?1600°C，恒溫30?50min，使得多晶硅加熱為熔融硅液。5.根據權利要求3所述W-WSi2功能梯度材料的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中，熱浸鍍硅的溫度為1450?1600 °C，熱浸鍍硅的時間為15?45min。6.根據權利要求3所述W-WSi2功能梯度材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中，將W-WSi2功能梯度材料熱胚從熔融硅液中取出后，在加熱爐內停留靜置的位置為加熱爐內溫度小于或等于400°c的區域位置處，停留靜置時間為3~5min。7.根據權利要求3所述W-WSi2功能梯度材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中，用室溫的惰性氣體噴吹W-WSi2功能梯度材料熱胚的表面的惰性氣體噴吹流量為5?8L/min，且噴吹直至W-WSi2功能梯度材料熱胚的表面溫度降至100?200 °C時，噴吹冷卻結束。
【文檔編號】C23C2/26GK106011716SQ201610381120
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月1日
【發明人】張穎異, 呂煒, 呂學偉, 白晨光, 邱貴寶
【申請人】重慶大學