氧化釔?鎢連續梯度材料及其制備方法和在高溫合金熔煉坩堝制造中的應用與流程

本發明屬于材料領域，具體涉及氧化釔-鎢連續梯度材料及其制備方法和在高溫合金熔煉坩堝制造中的應用。

技術背景

隨著科學的發展，一些具有特殊性能的金屬及合金材料被廣泛地用在汽車工業，航空航天、電氣電子、化工、石油、國防軍工等方面。包括鎂合金、鋁合金、鎳合金、銅合金、鈾合金等。對于這些合金材料，在使用過程中要求具有很高的純度以保證性能。因此，合金的熔煉具有重要的國民價值。石墨材料由于具有耐高溫、抗熱震性能好、易加工以及價格低廉等優點，廣泛應用于熔煉高溫合金的坩堝材料。但由于熔融態的合金具有很高的反應活性，很容易在高溫下與石墨和CO反應而引起碳污染。為了降低這種污染，現多采用基體與內襯涂層相結合的復合材料體系，但研究發現，其存在基體與內襯之間的結合狀況不良、高溫環境或熱沖擊條件下內襯的抗熱震性能和耐侵蝕性能難以兼顧等缺點。關于石墨坩堝的研究也主要集中在對涂層材料的選擇和噴涂工藝的探索。

通常使用的的涂層材料除了有高熔點氧化物(Al₂O₃，MgO，CaO,ZrO₂，Y₂O₃，YSZ(7-8％Y₂O₃))和氮化物(TiN，ZrN，HfN)外，還有一部分碳化物。此外,還有MgZrO₂、CaZrO₂等鋯酸鹽和Al₂TiO₅等。Vasconcelos的研究結果表明，在1700K時TiN與熔融合金之間沒有發生任何化學反應。A.Shankar采用磁控濺射法制備具有TiN，ZrN和HfN涂層石墨坩堝，涂層厚度在3.62～3.85μm，并計算了涂層材料與高溫合金反應的吉布斯自由能，計算結果表明在低于1500℃的溫度范圍內，涂層材料能夠與合金保持良好的化學穩定性。Condon J.B等人研究了近50種陶瓷材料(包括金屬氧化物，氮化物，碳化物，硼化物，硅化物)的涂層，設計了高溫合金熔融反應性實驗，大多數金屬氧化物在與合金反應中保持了較好的化學穩定性。其中，以Y₂O₃涂層的抗合金侵蝕性能最佳，熱穩定性最好。J.Joseph在專利中提出使用Al₂TiO₅涂層也可以有效地減少坩堝對熔融態合金的污染。張顯、成來飛等人分別對Y₂O₃、CaO、BeO、Ce₂O₃、MgO、ZrO₂等涂層或內襯材料與金屬在高溫下的化學反應進行了熱力學計算。結果表明在1200K～1900K溫度區間內，Y₂O₃、CaO、BeO和Ce₂O₃不會與高溫合金發生化學反應，具有良好的熱化學穩定性，Y₂O₃對高溫合金的熱化學穩定性最好，其次依次為CaO、BeO和Ce₂O₃，MgO在接近1600K時，可發生反應。但是，Y₂O₃的熱膨脹系數較大，高溫力學性能較低，因此以純Y₂O₃作為高溫合金熔煉坩堝材料不能滿足使用要求。

純W具有高熱導率、低熱膨脹系數、優良的耐蝕性、抗熱沖擊以及抗中子輻照性等性能。但作為熔煉坩堝材料，由于金屬間的相互擴散對合金的熔煉和濃縮勢必造成一定的影響。

日本東芝公司研發了W-Y₂O₃的復合材料，這種材料具有的高強度和高耐腐蝕性，被用于熔煉稀土金屬,與普通的石墨坩堝相比,復合材料坩堝的使用壽命高出10倍；在1000℃以內，抗彎強度達到800MPa，超過純W的5倍,且熔煉后的稀土金屬雜質含量下降到十分之一。但是日本東芝公司研發的W-Y₂O₃復合材料在傳遞材料制備和服役過程中產生較高的熱應力，從而導致抗熱震性能和耐侵蝕性能不足。

中國專利申請CN200910046508.4公開了一種熔鈦用坩堝，該坩堝為在石墨坩堝的內表面涂覆有一復合涂層，該復合涂層為內層、過渡梯度涂層和外層三層結構，內層為SiC薄層，過渡層由高溫穩定化合物氧化釔、鋯酸鈣或硫化鈰中的一種與難熔金屬鎢、鉬或鉭中的一種組成，外層為高溫穩定化合物氧化釔、鋯酸鈣或硫化鈰中的一種，所述過渡梯度涂層是由高溫穩定化合物氧化釔、鋯酸鈣或硫化鈰中的一種的粉末與難熔金屬鎢、鉬或鉭中的一種的粉末以不同質量比混合并用熱噴涂法(激光熔覆、離子體噴涂等)制備的亞三層，從內向外，以高溫穩定化合物與難熔金屬質量比計，第一亞層為1∶3，第二亞層為1∶1，第三亞層為3∶1。但是這種坩堝是以石墨為基底，而且還需要在內層涂覆有SiC薄層，因而存在不能用于對C敏感的金屬或者合金的熔煉。另外，該坩堝中的過渡層中的亞三層中高溫穩定氧化物和難熔金屬的比例只是簡單升降，并沒有通過對目標材料梯度分布函數進行優化設計來實現目標材料熱應力的優化匹配，因此所述內層、過渡梯度涂層和外層之間以及各亞三層之間仍然存在明顯層間界面，導致在制備和使用過程中產生的熱應力不匹配現象，降低了整個材料構件的熱機械性能尤其是降低了構件的抗熱震性能。

為了提高使用溫度及高溫合金的提煉純度，并兼顧到抗熱震性能和耐侵蝕性能，本發明提出了粉末沉降法制備具有連續梯度過渡結構的Y₂O₃-W梯度材料以滿足以上性能的要求。與相關報道中提到的粉末層鋪法制備的梯度材料相比，采用沉降法制備的Y₂O₃-W連續梯度材料可有效地弱化或消除梯度層間的層間界面，從而降低梯度材料在制備和使用過程中產生的熱應力不匹配現象，提高整個構件的熱機械性能。

本發明所制備的材料可廣泛應用于高溫合金熔煉領域，具有良好的抗熱震性能和抗侵蝕性能，且制備工藝簡單、能耗較低、環境友好，具有廣闊的產業化應用前景。

技術實現要素：

為了克服現有技術中的一個或者多個上述問題，本發明在第一方面提供了一種氧化釔-鎢連續梯度材料，所述梯度材料包括厚度為l₀的鎢層、厚度為l₁的氧化釔層和厚度為l₂的過渡層，并且l₀和l₁獨立地≥0，l₂＞0；所述過渡層具有富鎢面和富氧化釔面并且位于所述鎢層和所述氧化釔層之間，所述鎢層位于所述過渡層的富鎢面一側，所述氧化釔層位于所述過渡層的富氧化釔面一側；所述過渡層中距離所述富鎢面的z位置處的氧化釔的體積分數并且所述過渡層中距離所述富鎢面的z位置處的鎢的體積分數其中，l＝l₀+l₂，p＝0.1，l₀≤z≤l。

本發明在第二方面提供了一種制備本發明第一方面所述梯度材料的方法，所述方法包括如下步驟：

所述方法包括如下步驟：

(a)根據所述梯度材料的尺寸和層數，稱取所需的鎢粉末和氧化釔粉末；

(b)使用第三分散介質和第三分散劑制備用于形成所述過渡層的第三分散液，使用第一分散介質和第一分散劑制備用于形成所述鎢層的第一分散液，使用第二分散介質和第二分散劑制備用于形成所述氧化釔層的第二分散液；

(c)依次使所述第一分散液、所述第三分散液和所述第二分散液沉降在模具中并移除液體以形成沉降體；

(d)干燥所述沉降體，從而制得預制坯體；和

(e)將所述預制坯體冷壓成型并燒結，從而制得所述梯度材料。

本發明在第三方面提供了根據本發明第一方面所述的梯度材料或者本發明第二方面所述的方法制得的梯度材料在制造高溫合金熔煉坩堝中的應用。

本發明與所熔煉的金屬或合金不潤濕，化學相容性好，抗侵蝕能力強等優點，并且所制備的連續梯度材料在經過0～400℃下的循環熱震5～15次后，沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象；且材料能夠抵抗功率為50～80MW/m²的瞬間激光熱沖擊，在線平均電子密度為1～1.5×10¹³/cm³的等離子體原位輻照下材料表面無明顯的損傷，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能，并且具有優良的力學性能和抗侵蝕性能、其制備工藝簡單、能耗較低、環境友好。因此，本發明能夠在保證制備的連續梯度材料具有良好耐燒蝕性能同時，提高復合材料抗熱震性能和高溫力學性能，避免了貴金屬及高溫合金熔煉的污染，適于制造多功能熔煉坩堝的核心部件。

附圖說明

圖1是本發明方法中沉降時所使用的一個沉降裝置的例示性示意圖，其中，1表示沉降管1，H1表示沉降管1的高度，2表示沉降管2，H2表示沉降管2的高度，3表示閥門，4表示排液閥，5表示模具，并且沉降管1和沉降管2和模具底部的橫截面積均為s。

具體實施方式

如上所述，本發明在第一方面提供了一種氧化釔-鎢連續梯度材料，所述梯度材料包括厚度為l₀的鎢層、厚度為l₁的氧化釔層和厚度為l₂的過渡層，并且l₀和l₁獨立地≥0，l₂＞0；所述過渡層具有富鎢面和富氧化釔面并且位于所述鎢層和所述氧化釔層之間，所述鎢層位于所述過渡層的富鎢面一側，所述氧化釔層位于所述過渡層的富氧化釔面一側；所述過渡層中距離所述富鎢面的z位置處的氧化釔的體積分數并且所述過渡層中距離所述富鎢面的z位置處的鎢的體積分數其中，l＝l₀+l₂，p＝0.1，l₀≤z≤l。

本發明充分考慮了梯度材料的尺寸、熱應力匹配、抗熱震性能和耐合金侵蝕性能的要求，還充分地考慮了氧化釔和鎢材料的性能，按照和(其中p＝0.1)計算氧化釔和鎢的用量和分布，從而制得了具有滿足預期性能要求的梯度材料。

本發明對所述過渡層、所述鎢層和所述氧化釔層沒有特別的厚度，但是所述過渡層的厚度必須大于0，并且所形成的梯度材料的性能能夠滿足目標用途的需要即可。對于所述鎢層的厚度和所述氧化釔層的厚度，它們可以獨立地為0，也就是說，所述鎢層和所述氧化釔層可以獨立地不存在(即兩者都不存在或者兩者之一不存在)，使得所述梯度材料只包括所述過渡層或者僅有所述過渡層形成。因此，所述梯度材料可以包括如下的層或者由如下的層構成：(1)所述過渡層、所述鎢層和所述氧化釔層；(2)所述過渡層和所述鎢層；(3)所述過渡層和所述氧化釔層；(4)所述過渡層。

本發明對所述過渡層的厚度沒有特別的限制，只要包括該過渡層的梯度材料能夠具有預期性能即可。例如，所述過渡層的厚度可以為0.1cm至2.0cm以及期間所有的數值或者子范圍，例如為0.1cm、0.2cm、0.3cm、0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1.0cm、1.1cm、1.2cm、1.3cm、1.4cm、1.5cm、1.6cm、1.7cm、1.8cm、1.9cm或2.0cm，所述范圍可以為0.1cm至0.5cm、0.1cm至0.3cm。

本發明對所述鎢層的厚度沒有特別的限制，只要包括所述過渡層的梯度材料能夠具有預期性能即可。例如，所述鎢層的厚度可以為0.01cm至4.0cm以及期間所有的數值或者子范圍，例如為0.01cm、0.05cm、0.1cm、0.2cm、0.3cm、0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1.0cm、1.1cm、1.2cm、1.3cm、1.4cm、1.5cm、1.6cm、1.7cm、1.8cm、1.9cm、2.0cm、3.0cm或4.0cm，所述范圍可以為0.1cm至0.5cm、0.1cm至0.3cm。

本發明對所述氧化釔層的厚度沒有特別的限制，只要包括所述過渡層的梯度材料能夠具有預期性能即可。例如，所述氧化釔的厚度可以為0.01cm至1.0cm以及期間所有的數值或者子范圍，例如為0.01cm、0.05cm、0.1cm、0.2cm、0.3cm、0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm或1.0cm，所述范圍可以為0.1cm至0.5cm、0.1cm至0.3cm。

在一些優選的實施方式中，所述過渡層的厚度大于所述氧化釔層的厚度。

在一些實施方式中，所述鎢，例如所述鎢層中的鎢，或者例如所述過渡層中的鎢(所述過渡層中的氧化釔不計算在內)，其純度可以獨立地為90質量％以上，例如可以90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或者99.9質量％以上，優選在98質量％以上。

在另外一些實施方式中，所述氧化釔，例如所述氧化釔層中的氧化釔或者所述過渡層中的氧化釔(所述過渡層中的鎢不計算在內)的純度可以獨立地為90質量％以上，例如可以90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或者99.9質量％以上，優選在98質量％以上。

在計算形成所述梯度材料所使用的氧化釔和鎢的用量時，所述過渡層和所述氧化釔層中的Y₂O₃的總質量所述過渡層和所述鎢層中的W的總質量其中，其中p＝0.1，為Y₂O₃的密度，ρ_W為W的密度，s為所述梯度材料的橫截面積，表示厚度、面積和體積的單位應當為同一系列的單位，例如分別由厘米、平方厘米和立方厘米表示。

本發明在第二方面提供了一種制備本發明第一方面所述梯度材料的方法，所述方法包括如下步驟：

(a)根據所述梯度材料的尺寸和層數，稱取所需的鎢粉末和氧化釔粉末；

(b)使用第三分散介質和第三分散劑制備用于形成所述過渡層的第三分散液，使用第一分散介質和第一分散劑制備用于形成所述鎢層的第一分散液，使用第二分散介質和第二分散劑制備用于形成所述氧化釔層的第二分散液；

(c)依次使所述第一分散液、所述第三分散液和所述第二分散液沉降在模具中并移除液體以形成沉降體；

(d)干燥所述沉降體，從而制得預制坯體；和

(e)將所述預制坯體冷壓成型并燒結，從而制得所述梯度材料。

在一些實施方式中，用于形成所述鎢層的鎢粉末的粒徑和用于形成所述過渡層的鎢粉末的粒徑獨立地為0.1μm至10μm，例如為0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10μm。

在另外一些實施方式中，用于形成所述氧化釔層的氧化釔粉末的粒徑和用于形成所述過渡層的氧化釔粉末的粒徑獨立地為0.1μm至8μm，例如為0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7或8μm。

在一些實施方式中，所述第一分散介質、所述第二分散介質和所述第三分散介質可以獨立地選自由水、乙醇、甲醇和二甲苯組成的組。另外，所述第一分散劑、所述第二分散劑和所述第三分散劑可以相同或者不同，優選的是部分相同，更優選的是完全相同。本發明對所述分散介質的用量沒有特別的限制，只用能夠使要分散的氧化釔粉末和/或鎢粉末能夠分散即可。

在一些實施方式中，所述第一分散劑、所述第二分散劑和所述第三分散劑可以獨立地選自由聚乙烯、聚丙烯酸、甘油、以及由聚羧酸和聚硅氧烷共聚形成的共聚物組成的組。另外，所述第一分散劑、所述第二分散劑和所述第三分散劑可以相同或者不同。本發明對所述分散介質的用量沒有特別的限制，只用能夠使要分散的氧化釔粉末和/或鎢粉末能夠分散即可。但是在一些優選的實施方式中，所述分散液中的分散劑的使用濃度可以為0.5mol％至3mol％，例如為0.5、1、2、或3mol％。

本發明對制備所述分散液的方式沒有特別的限制，只要能夠制得均勻的分散液即可。但是，在一些優選的實施方式中，在所述第一分散液、所述第二分散液和/或所述第三分散液的過程中，優選在攪拌的同時利用超聲波分散20分鐘至40分鐘(例如20、30或40分鐘)。

在另外一些有選的實施方式中，所述沉降為利用重力進行的自由沉降，更優選的是，所述自由沉降時間為24小時至72小時或者其間的任意值或子范圍，例如所述沉降時間可以為24、48、60或72小時。

本發明對自由沉降所使用的裝置沒有特別的限制，例如可以使用帶有沉降管的沉降裝置進行，但是絕不限于只能使用這樣的裝置，實際上，能夠使實現本發明方法所需要的沉降并且不帶來不可接受的負面影響的所有裝置均可使用。例如參見圖1，所述沉降裝置包括位于上方的沉降管1、位于下方并且與沉降管1連通的沉降管2、位于沉降管1和沉降管2之間控制物流從沉降管1通入到沉降管2的閥門，沉降管2的下端部包括模具插放區段和位于該模具插放區段上邊沿的排液口，所述排液口設置有控制排液的排液閥。操作時，將所述模具插放區段垂直放入模具中，將沉降管2裝滿分散介質。關上閥門，然后將配置好準備沉降的分散液從上方裝入沉降管1，當分散液在沉降管1穩定之后，打開閥門，待沉降的分散液中的顆粒在重力的作用下經過沉降管2自由沉降到模具中。在另外一些實施方式中，也可以在沉降管1配好待沉降的分散液，然后等該待分散的分散液穩定之后，再打開閥門進行沉降。每種分散液的沉降時間可以由本領域技術人員確定，例如，對于第三分散液即用于形成過渡層的分散液，沉降時間可以例如為24小時至72小時。待分散液中的顆粒完成沉降之后，例如沉降管中的液體基本澄清之后，打開排水閥，排走沉降管中的液體，從而完成所述沉降過程，并可在后期采用原位干燥。

采用本發明的沉降方法，可以僅沉降用于形成過渡層的分散液，由此可以制得僅包括過渡層的梯度材料。也可以先沉降用于形成鎢層的分散液，然后再沉降用于形成過渡層的分散液，由此形成包括鎢層和過渡層的梯度材料。還可以依次沉降分別用于形成鎢層、過渡層和氧化釔層的分散液，由此制得包括鎢層、過渡層和氧化釔層的梯度材料。或者可以先沉降用于形成過渡層的分散液，然后再沉降用于形成氧化釔層的分散液，由此形成包括過渡層和氧化釔層的梯度材料。具體選擇形成何種形式的梯度材料，可以根據目標用途進行選擇。

本發明對干燥方式沒有特別的限制，但是優選所述干燥的干燥溫度為80℃至120℃或者其間的任意的數值或者范圍，例如為80、90、100、110或120℃；所述干燥時間可以為12小時至48小時或者其間的任意的數值或者子范圍，例如可以為12、24、36或48小時。本發明對干燥使用的設備沒有特別限制，例如可以使用本領域技術人員已知的鼓風干燥箱或紅外干燥器進行所述干燥。

本發明對燒結方式沒有特別限制。例如，在一些實施方式中，所述燒結采用選自由熱壓燒結方法、無壓燒結方法和熱等靜壓燒結方法組成的組中的方法進行。

在所述燒結采用熱壓燒結方法進行的在一些實施方式中，燒結溫度可以為1300℃至2000℃或者其間的任意的數值或者范圍(如1600℃至2000℃)，例如為1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900或2000℃。熱壓燒結時可以采用單向加壓或雙向加壓的方式加壓，所施加的壓力為10MPa至50MPa或者其間的任意的數值或者范圍，例如為10、20、30、40或50MPa，燒結保溫時間為1小時至5小時，例如為1、2、3、4或5小時，降溫速率為5℃/分鐘至10℃/分鐘，例如5、6、7、8、9或10℃/分鐘，燒結氣氛可以為氬氣、氮氣或真空。

在一些可選的實施方式中，所述冷壓成型可以通過先在5MPa至50MPa(例如為5、10、20、30、40或50MPa)進行冷壓，然后再進行冷等靜壓來進行。冷等靜壓的壓力可以為100MPa至200MPa或者其間任意數值或者子范圍，例如可以100、110、120、130、140、150、160、170、180、190或200MPa；在這種情況下，隨后所述燒結可以采用無壓燒結方法進行，無壓燒結的燒結溫度為1600℃至2000℃或者其間的任意的數值或者范圍，例如為1600、1700、1800、1900或2000℃。燒結保溫時間為1小時至5小時，例如為1、2、3、4或5小時，燒結氣氛為氮氣、氬氣或真空。

在一些可選的實施方式中，所述燒結可以直接采用熱等靜壓燒結方法進行，熱等靜壓燒結的燒結溫度為1300℃至1700℃或者其間的任意的數值或者范圍，例如為1300、1400、1500、1600或1700℃，燒結保溫時間為1小時至5小時，例如為1、2、3、4或5小時，燒結壓力可以為100MPa至200MPa，例如為100、150或200MPa。

本發明在第三方面提供了根據本發明第一方面所述的梯度材料或者本發明第二方面所述的方法制得的梯度材料在制造高溫合金熔煉坩堝的核心部件中的應用。

實施例

下文將通過舉例說明的方式對本發明進行進一步地說明，但是這些實施例僅出于說明目的，不應理解為是對本發明的保護范圍的限制。

實施例1

按照預先設定連續梯度材料的l＝1.0cm，根據公式和(其中p＝0.1)，分別稱取平均粒徑為1μm、純度98％的氧化釔粉1份(重量份，下同)，平均粒徑為2μm、純度98％的鎢粉3.86份。選用水作為溶劑，聚乙烯作為分散劑，分別使用水將鎢粉末與氧化釔粉末配制成懸浮液，并加入分散劑聚乙烯使得其在所述分散液中的摩爾濃度為0.5mol％。將兩種分散液分別超聲分散并且攪拌20分鐘，制得分散液。使用圖1所述的沉降裝置進行沉降，操作時，將分散介質裝滿沉降管2，關上閥門，將模具插放區段放入模具。將待沉降的分散液加入到沉降管1中，分散液穩定后，打開閥門，顆粒在重力的作用下自由沉降至模具中。沉降36h后，沉降管中的液體基本澄清，沉降完成。打開排水閥，排走沉降管中的液體，制得沉降體。然后將沉降體于100℃干燥36小時，制得預制坯體。將預制坯體在室溫下在5MPa的壓力冷壓成型，經200MPa冷等靜壓后在真空熱壓燒結爐中直接進行無壓燒結，制得Y₂O₃-W連續梯度材料。燒結的工藝參數為：1800℃時保溫1小時，真空度為1.3×10^-2Pa，降溫速度為5℃/分鐘。

復合材料的致密度達到96.7％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為120.5MPa。能夠抵抗功率約為50MW/m²的瞬間激光熱沖擊，而且在線平均電子密度為1～1.5×10¹³/cm³的等離子體原位輻照下材料表面無明顯的損傷。

實施例2

按照預先設定連續梯度材料的l＝2.0cm，如實施例1那樣根據所設定的公式，分別稱取平均粒徑為1.5μm、純度98.5％的氧化釔粉1份，平均粒徑為2μm、純度98％的鎢粉3.86份，選用乙醇作為溶劑，聚丙烯酸作為分散劑，分別使用水將鎢粉末與氧化釔粉末配制成懸浮液，并加入分散劑聚丙烯酸使得其在所述分散液中的摩爾濃度為1mol％。將兩種分散液分別超聲分散并且攪拌25分鐘，制得分散液。使用圖1所述的沉降裝置進行沉降，操作時，將分散介質裝滿沉降管2，關上閥門，將模具插放區段放入模具。將待沉降的分散液加入到沉降管1中，分散液穩定后，打開閥門，顆粒在重力的作用下自由沉降至模具中。沉降42h后，沉降管中的液體基本澄清，沉降完成。打開排水閥，排走沉降管中的液體，制得沉降體。然后將沉降體于100℃干燥36小時，制得預制坯體。將預制坯體在室溫下在5MPa的壓力冷壓成型。然后在真空熱壓燒結爐中直接進行熱壓燒結，制得Y₂O₃-W連續梯度材料。燒結的工藝參數為：1500℃時保溫1小時，真空度為1.3×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復合材料的致密度達到98.0％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為134.0MPa。在通入惰性氣體的氣氛爐中，400℃保溫15min后，立即投入0℃的冰水混合物中進行淬火，重復以上循環熱震5次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實施例3

如實施例1那樣根據所設定的公式，l＝1.0cm，分別稱取平均粒徑為1.5μm、純度98.0％的氧化釔粉1份，平均粒徑為2μm、純度98.5％的鎢粉3.86份，選用乙醇作為溶劑，PE作為分散劑，作為分散劑，分別使用乙醇將鎢粉末與氧化釔粉末配制成懸浮液，并加入分散劑PE使得其在所述分散液中的摩爾濃度為1.5mol％。將兩種分散液分別超聲分散并且攪拌20分鐘，制得分散液。使用圖1所述的沉降裝置進行沉降，操作時，將分散介質裝滿沉降管2，關上閥門，將模具插放區段放入模具。將待沉降的分散液加入到沉降管1中，分散液穩定后，打開閥門，顆粒在重力的作用下自由沉降至模具中。沉降36h后，沉降管中的液體基本澄清，沉降完成。打開排水閥，排走沉降管中的液體，制得沉降體。然后將沉降體于100℃干燥36小時，制得預制坯體。將預制坯體在室溫下在5MPa的壓力冷壓成型。然后在熱等靜壓燒結爐中直接進行燒結，制得Y₂O₃-W連續梯度材料。燒結的工藝參數為：1500℃時保溫1小時，壓力為100MPa，降溫速度為10℃/分鐘。

復合材料的致密度達到98.4％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度可達147.5MPa。在通入惰性氣體的氣氛爐中，400℃保溫10～15min后，立即投入0℃的冰水混合物中進行淬火，重復以上循環熱震5次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實施例4

如實施例1那樣根據所設定的公式，l＝1.0cm，分別稱取平均粒徑為0.8μm、純度99.0％的氧化釔粉1份，平均粒徑為1.5μm、純度98.5％的鎢粉3.86份，選用水作為溶劑，聚丙烯酸作為分散劑，以與實施例1相同的方式制備分散液并進行沉降，不過分散劑的摩爾濃度為1.0mol％，超聲分散30min，自由沉降42h后，制得沉降體。然后將沉降體于100℃干燥36小時，制得預制坯體。將預制坯體在室溫下在5MPa的壓力冷壓成型。經200MPa冷等靜壓后在真空熱壓燒結爐中直接進行無壓燒結，工藝參數為：1900℃時保溫1小時，氬氣保護，降溫速度為10℃/分鐘。

復合材料的致密度達到98.0％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為132.5MPa。在通入惰性氣體的氣氛爐中，400℃保溫10～15min后，立即投入0℃的冰水混合物中進行淬火，重復以上循環熱震10次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實施例5

如實施例1那樣根據所設定的公式，l＝1.0cm，分別稱取平均粒徑為0.8μm、純度98.5％的氧化釔粉1份，平均粒徑為1.5μm、純度99.0％的鎢粉3.86份，選用甲醇作為溶劑，甘油作為分散劑，以與實施例1相同的方式制備分散液并進行沉降，不過分散劑的摩爾濃度為0.5mol％，超聲分散40min，自由沉降48h后，制得沉降體。然后將沉降體于100℃干燥36小時，制得預制坯體。將預制坯體在室溫下在5MPa的壓力冷壓成型。然后，在真空熱壓燒結爐中直接進行熱壓燒結，制得Y₂O₃-W梯度材料。工藝參數為：1600℃時保溫1小時，壓力為35MPa，氬氣保護，降溫速度為10℃/分鐘。

復合材料的致密度達到98.8％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為137.8MPa。能夠抵抗功率約為60MW/m²的瞬間激光熱沖擊，而且在線平均電子密度為1～1.5×10¹³/cm³的等離子體原位輻照下材料表面無明顯的損傷。

實施例6

如實施例1那樣根據所設定的公式，l＝1.0cm，分別稱取平均粒徑為1μm、純度99.0％的氧化釔粉1份，平均粒徑為2μm、純度99.0％的鎢粉3.86份，選用甲醇作為溶劑，甘油作為分散劑，以與實施例1相同的方式制備分散液并進行沉降，不過分散劑的摩爾濃度為1.0mol％，超聲分散35min，自由沉降54h后，制得沉降體。然后將沉降體于100℃干燥36小時，制得預制坯體。將預制坯體在室溫下在5MPa的壓力冷壓成型。然后，在熱等靜壓燒結爐中直接進行燒結，制得Y₂O₃-W連續梯度材料。工藝參數為：1600℃時保溫1小時，壓力為100MPa，降溫速度為10℃/分鐘。

復合材料的致密度達到99.2％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為140.7MPa。在通入惰性氣體的氣氛爐中，400℃保溫10～15min后，立即投入0℃的冰水混合物中進行淬火，重復以上循環熱震10次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實施例7

如實施例1那樣根據所設定的公式，l＝1.0cm，分別稱取平均粒徑為3μm、純度99.0％的氧化釔粉1份，平均粒徑為1μm、純度99.0％的鎢粉3.86份，選用甲醇作為溶劑，甘油作為分散劑，以與實施例1相同的方式制備分散液并進行沉降，不過分散劑的摩爾濃度為1.5mol％，超聲分散40min，自由沉降60h后，制得沉降體。然后將沉降體于100℃干燥36小時，制得預制坯體。將預制坯體在室溫下在5MPa的壓力冷壓成型。經200MPa冷等靜壓后在真空熱壓燒結爐中直接進行無壓燒結，制得Y₂O₃-W連續梯度材料。工藝參數為：1850℃時保溫1小時，真空度<1.3×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復合材料的致密度達到97.0％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為126.5MPa。在通入惰性氣體的氣氛爐中，400℃保溫10～15min后，立即投入0℃的冰水混合物中進行淬火，重復以上循環熱震15次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實施例8

如實施例1那樣根據所設定的公式，l＝1.0cm，分別稱取平均粒徑為4μm、純度99.9％的氧化釔粉1份，平均粒徑為2μm、純度99.0％的鎢粉3.86份，選用甲醇作為溶劑，甘油作為分散劑，以與實施例1相同的方式制備分散液并進行沉降，不過分散劑的摩爾濃度為2.0mol％，超聲分散40min，自由沉降72h后，制得沉降體。然后將沉降體于100℃干燥36小時，制得預制坯體。將預制坯體在室溫下在5MPa的壓力冷壓成型。然后，在真空熱壓燒結爐中直接進行熱壓燒結，制得Y₂O₃-W梯度材料。工藝參數為：1650℃時保溫1小時，壓力為40MPa，真空度<1.2×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復合材料的致密度達到99.0％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為145.6MPa。在通入惰性氣體的氣氛爐中，400℃保溫10～15min后，立即投入0℃的冰水混合物中進行淬火，重復以上循環熱震15次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發生層間剝落及斷裂失效等現象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實施例9

如實施例1那樣根據所設定的公式，l＝1.0cm，分別稱取平均粒徑為4μm、純度99.9％的氧化釔粉1份，平均粒徑為1μm、純度99.0％的鎢粉3.86份，選用二甲苯作為溶劑，聚羧酸和聚硅氧烷的共聚物作為分散劑，以與實施例1相同的方式制備分散液并進行沉降，不過分散劑的摩爾濃度為1.5mol％，超聲分散35min，自由沉降72h后，制得沉降體。然后將沉降體于100℃干燥36小時，制得預制坯體。將預制坯體在室溫下在5MPa的壓力冷壓成型。然后，在熱等靜壓燒結爐中直接進行燒結，制得Y₂O₃-W連續梯度材料。工藝參數為：1650℃時保溫1小時，壓力為150MPa，真空度為1.3×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復合材料的致密度達到99.5％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為145.2MPa。能夠抵抗功率約為70MW/m²的瞬間激光熱沖擊，而且在線平均電子密度為1～1.5×10¹³/cm³的等離子體原位輻照下材料表面無明顯的損傷。

實施例10

先稱取平均粒徑為1μm、純度99.0％的鎢粉5份，選用水作為溶劑，1mol％的聚乙烯作為分散劑，制備分散液，并按照實施例1所述基本相同的方式進行沉降操作，超聲分散20min，自由沉降24h后，制得W沉降層。

然后，預先設定連續梯度材料的成分分布指數p＝0.1，如實施例1那樣根據所述公式，分別稱取平均粒徑為1μm、純度98.5％的氧化釔粉1.0份，平均粒徑為1μm、純度98％的鎢粉4.6份，選用水作為溶劑，1mol％的聚乙烯作為分散劑，制備分散液，并按照實施例1所述基本相同的方式進行沉降操作，不過超聲分散20min，自由沉降24h后，從而在W沉降層上形成具有連續梯度分布的Y₂O₃-W復合材料沉降層。

再稱取平均粒徑為1μm、純度98.5％的氧化釔粉3份，選用水作為溶劑，1mol％聚乙烯作為分散劑，制備分散液，并按照實施例1所述基本相同的方式進行沉降操作，不過超聲分散20min，自由沉降24h后，在所述復合材料沉降層上形成氧化釔沉降層，由此制得包括W沉降層、復合材料沉降層和氧化釔層的沉降體，然后將沉降體于120℃干燥48小時，制得預制坯體。將所述預制坯體于室溫下冷壓成型，壓力為20MPa，經200MPa冷等靜壓后在真空熱壓燒結爐中直接進行無壓燒結，無壓燒結的工藝參數為：1800℃時保溫1小時，真空度為1.3×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘，由此制得包括Y₂O₃-W連續過渡層的梯度材料。

所述梯度材料的致密度達到96.7％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為521MPa。能夠抵抗功率約為50MW/m²的瞬間激光熱沖擊，而且在線平均電子密度為1～1.5×10¹³/cm³的等離子體原位輻照下材料表面無明顯的損傷。

實施例11-15

除了下表1所示的內容之外，以與實施例10相同的方式進行：