氧化釔?鎢梯度材料及其制備方法和在制造高純金屬熔煉用坩堝中的應(yīng)用與流程

本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種氧化釔-鎢梯度材料及其制備方法和在制造高純金屬熔煉用坩堝中的應(yīng)用

技術(shù)背景

隨著科學(xué)的發(fā)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(yè)，航空航天、電氣電子、化工、石油、國(guó)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(duì)于這些合金材料，在使用過(guò)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(guó)民價(jià)值。對(duì)于這些合金材料，在使用過(guò)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(guó)民價(jià)值。真空感應(yīng)坩堝熔煉是冶煉高溫合金最常用的技術(shù)，強(qiáng)烈的電磁攪拌有利于消除合金中的成分偏析從而獲得成分均勻的合金。然而，對(duì)于某些合金，如鈦合金來(lái)說(shuō)，在高溫下具有很高的化學(xué)活性，國(guó)內(nèi)外研究嘗試了石墨、Al₂O₃、ZrO₂、CaO和BN等耐火材料，但這些材料均與鈦及鈦合金溶體發(fā)生不同程度的化學(xué)反應(yīng)，從而影響合金的純度及性能。

墨材料由于具有耐高溫、抗熱震性能好、易加工以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于熔煉高溫合金的坩堝材料。但由于熔融態(tài)的合金具有很高的反應(yīng)活性，很容易在高溫下與石墨和CO反應(yīng)而引起碳污染。為了降低這種污染，現(xiàn)多采用基體與內(nèi)襯涂層相結(jié)合的復(fù)合材料體系Vasconcelos的研究結(jié)果表明，在1700K時(shí)TiN與熔融合金之間沒有發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。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(jì)算了涂層材料與高溫合金反應(yīng)的吉布斯自由能，計(jì)算結(jié)果表明在低于1500℃的溫度范圍內(nèi)，涂層材料能夠與合金保持良好的化學(xué)穩(wěn)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(shè)計(jì)了高溫合金熔融反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)金屬氧化物在于合金反應(yīng)中保持了較好的化學(xué)穩(wěn)定性。其中，以Y₂O₃涂層的抗合金侵蝕性能最佳，熱穩(wěn)定性最好。張顯、成來(lái)飛等人分別對(duì)Y₂O₃、CaO、BeO、Ce₂O₃、MgO、ZrO₂等涂層或內(nèi)襯材料與金屬在高溫下的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算。結(jié)果表明在1200K～1900K溫度區(qū)間內(nèi)，Y₂O₃、CaO、BeO和Ce₂O₃不會(huì)與高溫合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有良好的熱化學(xué)穩(wěn)定性，Y₂O₃對(duì)高溫合金的熱化學(xué)穩(wěn)定性最好，其次依次為CaO、BeO和Ce₂O₃，MgO在接近1600K時(shí)，可發(fā)生反應(yīng)。但是，Y₂O₃的熱膨脹系數(shù)較大，高溫力學(xué)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(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)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(kuò)散對(duì)合金的熔煉和濃縮勢(shì)必造成一定的影響。

日本東芝公司研發(fā)了W-Y₂O₃的復(fù)合材料，這種材料具有的高強(qiáng)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(fù)合材料坩堝的使用壽命高出10倍；在1000℃以內(nèi)，抗彎強(qiáng)度達(dá)到800MPa，超過(guò)純W的5倍,且熔煉后的稀土金屬雜質(zhì)含量下降到十分之一。但是日本東芝公司研發(fā)的W-Y₂O₃復(fù)合材料在傳遞材料制備和服役過(guò)程中產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致抗熱震性能和耐侵蝕性能不足。

中國(guó)專利申請(qǐng)CN200910046508.4公開了一種熔鈦用坩堝，該坩堝為在石墨坩堝的內(nèi)表面涂覆有一復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層為內(nèi)層、過(guò)渡梯度涂層和外層三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為SiC薄層，過(guò)渡層由高溫穩(wěn)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(wěn)定化合物氧化釔、鋯酸鈣或硫化鈰中的一種，所述過(guò)渡梯度涂層是由高溫穩(wěn)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(zhì)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(nèi)向外，以高溫穩(wěn)定化合物與難熔金屬質(zhì)量比計(jì)，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(nèi)層涂覆有SiC薄層，因而存在不能用于對(duì)C敏感的金屬或者合金的熔煉。另外，該坩堝中的過(guò)渡層中的亞三層中高溫穩(wěn)定氧化物和難熔金屬的比例只是簡(jiǎn)單升降，并沒有通過(guò)對(duì)目標(biāo)材料梯度分布函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)材料熱應(yīng)力的優(yōu)化匹配，因此所述內(nèi)層、過(guò)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(dǎo)致在制備和使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力不匹配現(xiàn)象，降低了整個(gè)材料構(gòu)件的熱機(jī)械性能尤其是降低了構(gòu)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(fā)明提出了采用具有層狀梯度過(guò)渡結(jié)構(gòu)的Y₂O₃-W梯度材料以滿足以上性能的要求。Y₂O₃-W梯度材料可充分發(fā)揮Y₂O₃陶瓷的高溫?zé)峄瘜W(xué)穩(wěn)定性和W金屬高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)；且具有層狀梯度過(guò)渡結(jié)構(gòu)的Y₂O₃-W梯度材料可有效緩解和傳遞材料制備和服役過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而延長(zhǎng)材料的使用壽命。

本發(fā)明所制備的材料可廣泛應(yīng)用于高純合金熔煉領(lǐng)域，具有良好的抗熱震性能和抗侵蝕性能，且制備工藝簡(jiǎn)單、能耗較低、環(huán)境友好，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明在第一方面提供了一種氧化釔-鎢梯度材料，所述梯度材料包括氧化釔層和多個(gè)過(guò)渡層，所述氧化釔層位于所述多個(gè)過(guò)渡層中的氧化釔含量最大的層的一側(cè)，從所述多個(gè)過(guò)渡層中的鎢含量最大的層的一側(cè)開始計(jì)，所述多個(gè)過(guò)渡層包括第1、2、……、n-1層，所述氧化釔層為第n層；所述多個(gè)過(guò)渡層中第m過(guò)渡層的氧化釔的體積分?jǐn)?shù)和鎢的體積分?jǐn)?shù)根據(jù)如下公式計(jì)算：

$C_{Ym}={\left(\frac{x_m}{l}\right)}^{0.5}---\left(1\right)$

C_Wm＝1-C_Ym (2)

$x_m=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{H}_i-\frac{1}{2}{H}_m---\left(3\right)$

其中：

C_Ym為第m過(guò)渡層中的氧化釔的體積分?jǐn)?shù)；C_Wm為第m過(guò)渡層中的鎢的體積分?jǐn)?shù)；m為1至(n-1)的自然數(shù)；l為所述多個(gè)過(guò)渡層的總厚度；n為氧化釔層和各過(guò)渡層的總層數(shù)且n≥3；H_i為第i層的厚度，H_m為第m過(guò)渡層的厚度。

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

(a)根據(jù)所述梯度材料的尺寸和層數(shù)，稱取所需的鎢粉末和氧化釔粉末；

(b)在模具中使用氧化釔粉末和由氧化釔粉末和鎢粉末組成的復(fù)合粉末、鎢粉末分別鋪層氧化釔層、過(guò)渡層和鎢層，形成復(fù)合材料鋪層坯體，并在鋪層的同時(shí)或者之后進(jìn)行成型和燒結(jié)，由此制得所述梯度材料。

本發(fā)明在第三方面還提供了第一方面所述的梯度材料或者第二方面所述方法制得的梯度材料在制造高純金屬熔煉用坩堝中的應(yīng)用。

本發(fā)明的梯度材料在經(jīng)過(guò)0～400℃下的循環(huán)熱震15～25次后，材料沒有發(fā)生層間剝落及斷裂失效等現(xiàn)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(wú)明顯的損傷，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。本發(fā)明將Y₂O₃優(yōu)良的熱化學(xué)穩(wěn)定性與W優(yōu)異的抗熱沖擊性結(jié)合起來(lái)，最大限度緩和材料內(nèi)部產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力，在保證制備的梯度材料具有良好耐燒蝕性能同時(shí)，提高復(fù)合材料抗熱震性能、高溫力學(xué)性能和康侵蝕性能，避免了高純金屬在熔煉過(guò)程中的污染，可廣泛應(yīng)用于高純合金熔煉領(lǐng)域，尤其適于制造多功能熔煉坩堝特別是高純金屬熔煉用坩堝的核心部件。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單、能耗較低、環(huán)境友好，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的梯度材料的一個(gè)具體實(shí)施方式的示意圖，最上層(與要熔煉的例如高純金屬合金接觸的層)為氧化釔層(即第n層，在該實(shí)施方式中n＝9，即第9層)，過(guò)渡層包括n-1層即8層，從下往上計(jì)算依次為第1層、第2層，……，第n-1層(即第8層)，最下側(cè)為過(guò)渡層的富鎢側(cè)，過(guò)渡層中富鎢側(cè)的相對(duì)側(cè)為富氧化釔側(cè)。

具體實(shí)施方式

如上所述，本發(fā)明在在第一方面提供了一種氧化釔-鎢梯度材料，所述梯度材料包括氧化釔層和過(guò)渡層，所述梯度材料包括氧化釔層和多個(gè)過(guò)渡層，所述氧化釔層位于所述多個(gè)過(guò)渡層中的氧化釔含量最大的層的一側(cè)，從所述多個(gè)過(guò)渡層中的鎢含量最大的層的一側(cè)開始計(jì)，所述多個(gè)過(guò)渡層包括第1、2、……、n-1層，所述氧化釔層為第n層；所述多個(gè)過(guò)渡層中第m過(guò)渡層的氧化釔的體積分?jǐn)?shù)和鎢的體積分?jǐn)?shù)根據(jù)如下公式計(jì)算：

$C_{Ym}={\left(\frac{x_m}{l}\right)}^{0.5}---\left(1\right)$

C_Wm＝1-C_Ym (2)

$x_m=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{H}_i-\frac{1}{2}{H}_m---\left(3\right)$

其中：

C_Ym為第m過(guò)渡層中的氧化釔的體積分?jǐn)?shù)；C_Wm為第m過(guò)渡層中的鎢的體積分?jǐn)?shù)；m為1至(n-1)的自然數(shù)；l為所述多個(gè)過(guò)渡層的總厚度；n為氧化釔層和各過(guò)渡層的總層數(shù)且n≥3；H_i為第i層的厚度，H_m為第m過(guò)渡層的厚度，x_m為如公式(3)所示，即，第m過(guò)渡層在厚度方向上的中間位置距離所述多個(gè)過(guò)渡層中的鎢含量最大的層的外表面(遠(yuǎn)離氧化釔層的表面)的距離。

本發(fā)明基于坩堝材料的尺寸、熱應(yīng)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，按照上述公式計(jì)算各過(guò)渡層中的氧化釔和鎢的用量和分布，從而制得了具有滿足預(yù)期性能要求的梯度材料。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述梯度材料的總層數(shù)3≤n≤15，例如n為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15，又例如，5≤n≤11或5≤n≤10。

本發(fā)明對(duì)所述過(guò)渡層中的每一層的厚度沒有特別的限制，只要所述梯度材料能夠具有預(yù)期性能即可。但是優(yōu)選的是，所述過(guò)渡層中每一層的厚度可以獨(dú)立地為0.5mm至3mm以及期間所有的數(shù)值或者子范圍，例如為0.5mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5cm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3.0mm。

本發(fā)明對(duì)所述氧化釔層的厚度沒有特別的限制，只要所述梯度材料能夠具有預(yù)期性能即可。但是優(yōu)選的是，所述氧化釔層的厚度可以獨(dú)立地為0.5mm至3mm以及期間所有的數(shù)值或者子范圍，例如為0.5mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5cm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3.0mm。。

在一些可選的實(shí)施方式中，所述梯度材料可以在富鎢側(cè)還包括鎢層。本發(fā)明對(duì)所述鎢層的厚度沒有特別的限制，所述鎢層的厚度可以為0.01mm至3.0mm以及期間所有的數(shù)值或者子范圍，例如為0mm、0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3.0mm。

在一些實(shí)施方式中，所述鎢，例如所述鎢層(如果有的話)中的鎢，或者例如所述過(guò)渡層中的鎢(所述過(guò)渡層中的氧化釔不計(jì)算在內(nèi))，其純度可以獨(dú)立地為90質(zhì)量％以上，例如可以90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或者99.9質(zhì)量％以上，優(yōu)選在98質(zhì)量％以上。

在另外一些實(shí)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(guò)渡層中的氧化釔(所述過(guò)渡層中的鎢不計(jì)算在內(nèi))的純度可以獨(dú)立地為90質(zhì)量％以上，例如可以90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或者99.9質(zhì)量％以上，優(yōu)選在98質(zhì)量％以上。

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

(a)根據(jù)所述梯度材料的尺寸和層數(shù)，稱取所需的鎢粉末和氧化釔粉末；

(b)在模具(例如石墨模具)中使用氧化釔粉末和由氧化釔粉末和鎢粉末組成的復(fù)合粉末、鎢粉末分別鋪層氧化釔層、過(guò)渡層和鎢層，形成復(fù)合材料鋪層坯體，并在鋪層的同時(shí)或者之后進(jìn)行成型和燒結(jié)，由此制得所述梯度材料。

在一些實(shí)施方式中，用于形成所述鎢層(如果有的話)的鎢粉末的粒徑和用于形成所述過(guò)渡層的鎢粉末的粒徑獨(dú)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(shí)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(guò)渡層的氧化釔粉末的粒徑獨(dú)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(shí)施方式中，所述復(fù)合粉末可以通過(guò)球磨濕混方式制得，其中以分散介質(zhì)和分散劑作為混合介質(zhì)，混合時(shí)間為6小時(shí)至24小時(shí)(例如6、12、18或24小時(shí))，然后例如通過(guò)在開放式烘干爐或減壓蒸餾系統(tǒng)中蒸發(fā)掉乙醇等混合介質(zhì)來(lái)除去混合介質(zhì)，從而得到混合粉末，然后將混合粉末過(guò)120目篩，得到混合均勻的復(fù)合粉末。

本發(fā)明對(duì)球磨濕混所使用的分散介質(zhì)和分散劑沒有特別的限制，但是在在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述分散介質(zhì)可以選自由水、乙醇、甲醇和二甲苯組成的組。本發(fā)明對(duì)所述分散介質(zhì)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鎢粉末能夠分散即可。在另外一些實(shí)施方式中，所述分散劑可以選自由聚乙烯、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。本發(fā)明對(duì)所述分散介質(zhì)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(yōu)選的實(shí)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％。

在一些可選的實(shí)施方式中，所述復(fù)合粉末可以通過(guò)球磨干混方式制得，其中以陶瓷球或硬質(zhì)合金球作為混合介質(zhì)，混合時(shí)間為12小時(shí)至48小時(shí)(例如12、18、24、30、36、42或48小時(shí))，然后過(guò)120目篩，得到混合均勻的復(fù)合粉末。

可選的是，可以在制得所述復(fù)合粉末之后對(duì)其進(jìn)行造粒，以實(shí)現(xiàn)更好的成型。

在同時(shí)實(shí)現(xiàn)鋪層、成型和燒結(jié)的一些實(shí)施方式中，所述復(fù)合材料鋪層坯體可以通過(guò)等離子噴涂設(shè)備利用各粉末對(duì)相應(yīng)的層進(jìn)行鋪層，其中采用配有送粉器的等離子噴涂設(shè)備。所述等離子噴涂設(shè)備的噴槍的工作壓力可以為0.1～0.5MPa(例如為0.1、0.2、0.3、0.4或0.5MPa)，噴槍的移動(dòng)速率可以為20～50mm/s(例如20mm/s、30mm/s、40mm/s或50mm/s)，送粉器的送粉量可以為5～20g/分鐘(例如5、10、15或20g/分鐘)，噴涂的溫度可以為1600～2000℃或者其間的任意的數(shù)值或者范圍，例如為1600、1700、1800、1900或2000℃，由此在鋪層的同時(shí)實(shí)現(xiàn)成型和燒結(jié)。

在依次進(jìn)行鋪層、成型和燒結(jié)的實(shí)施方式中，所述鋪層可以通過(guò)手工鋪層、流延法鋪層等。例如，在流延法鋪層的情況中，可以在室溫下通過(guò)流延法進(jìn)行鋪設(shè)，然后在80～150℃干燥(80、90、100、110、120、130、140或150℃)，并在120～350℃(120、150、200、250、300或350℃)實(shí)施排膠，從而鋪制所述復(fù)合材料鋪層坯體。然后，依次對(duì)所述坯體進(jìn)行成型和燒結(jié)。所述成型可以通過(guò)室溫冷壓成型和/或冷等靜壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述室溫冷壓成型的壓力可以為5至50MPa，例如為5、10、20、25、30、35、40、45或50MPa。所述冷等靜壓的壓力可以為50～200MPa(例如50、100、150或200MPa)。燒結(jié)可以通過(guò)熱壓燒結(jié)或無(wú)壓燒結(jié)來(lái)進(jìn)行。熱壓燒結(jié)的燒結(jié)溫度可以為1600～2000℃或者其間的任意的數(shù)值或者范圍，例如為1600、1700、1800、1900或2000℃，熱壓燒結(jié)時(shí)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(shù)值或者范圍，例如為10、20、30、40或50MPa，燒結(jié)保溫時(shí)間為1小時(shí)至5小時(shí)，例如為1、2、3、4或5小時(shí)，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(jié)氣氛可以為氬氣、氮?dú)饣蛘婵?。無(wú)壓燒結(jié)的燒結(jié)溫度可以為1600～2000℃其間的任意的數(shù)值或者范圍，例如為1600、1700、1800、1900或2000℃。無(wú)壓燒結(jié)的保溫時(shí)間為1小時(shí)至5小時(shí)，例如為1、2、3、4或5小時(shí)，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(jié)氣氛可以為氬氣、氮?dú)饣蛘婵铡?/p>

本發(fā)明在第三方面還提供了第一方面所述的梯度材料或者第二方面所述方法制得的梯度材料在制造坩堝，例如用于高溫金屬或者合金熔煉用坩堝尤其是高純金屬熔煉用坩堝中的應(yīng)用。

下文將通過(guò)舉例說(shuō)明的方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地說(shuō)明，但是這些實(shí)施例僅出于說(shuō)明目的，不應(yīng)理解為是對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制。

實(shí)施例1

預(yù)先設(shè)定復(fù)合材料的層數(shù)n＝5，材料的最上層為Y₂O₃層，厚度為2mm。過(guò)渡層為4層，每層的厚度均為3mm。將平均粒徑為1μm、純度98％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.2μm、純度98％的鎢粉按照前文公式(1)至(3)計(jì)算出各過(guò)渡層的體積配比，過(guò)渡層由上到下各個(gè)層的成分分別為：

93.5vol.％Y₂O₃-6.5vol.％W，79.1vol.％Y₂O₃-20.9vol.％W，

61.2vol.％Y₂O₃-38.8vol.％W，35.4vol.％Y₂O₃-64.6vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的梯度漸變結(jié)構(gòu)將各粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa；經(jīng)200MPa冷等靜壓后在真空熱壓燒結(jié)爐中直接進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空無(wú)壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為：1800℃時(shí)保溫1小時(shí)，真空度為1.3×10^-2Pa，降溫速度為5℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達(dá)到97.4％，室溫下的三點(diǎn)彎曲法測(cè)試的抗彎強(qiáng)度為424.0MPa。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(wú)明顯的損傷。

實(shí)施例2

預(yù)先設(shè)定復(fù)合材料的層數(shù)n＝5，材料的最上層為Y₂O₃層，厚度為2mm。過(guò)渡層為4層，每層的厚度均為3mm。將平均粒徑為1μm、純度98％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.2μm、純度98％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計(jì)算出過(guò)渡層的體積配比，過(guò)渡層由上到下各個(gè)層的成分分別為：

93.5vol.％Y₂O₃-6.5vol.％W，79.1vol.％Y₂O₃-20.9vol.％W，

61.2vol.％Y₂O₃-38.8vol.％W，35.4vol.％Y₂O₃-64.6vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的梯度漸變結(jié)構(gòu)將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa。然后，在真空熱壓燒結(jié)爐中直接進(jìn)行熱壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空熱壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為：1500℃時(shí)保溫1小時(shí)，壓力為30MPa，真空度為1.3×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達(dá)到98.0％，室溫下的三點(diǎn)彎曲法測(cè)試的抗彎強(qiáng)度為432.2MPa。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(jìn)行淬火，重復(fù)以上循環(huán)熱震10次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發(fā)生層間剝落及斷裂失效等現(xiàn)象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實(shí)施例3

預(yù)先設(shè)定復(fù)合材料的層數(shù)n＝5，材料的最上層為Y₂O₃層，厚度為2mm。過(guò)渡層為4層，每層的厚度均為3mm。將平均粒徑為2μm、純度99％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.5μm、純度98％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計(jì)算出過(guò)渡層的體積配比，過(guò)渡層由上到下各個(gè)層的成分分別為：

93.5vol.％Y₂O₃-6.5vol.％W，79.1vol.％Y₂O₃-20.9vol.％W，

61.2vol.％Y₂O₃-38.8vol.％W，35.4vol.％Y₂O₃-64.6vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的過(guò)渡層體積含量逐次放入熱噴涂的送粉器中，采用等離子噴涂工藝逐次逐層噴涂送粉，制得Y₂O₃-W梯度材料。工藝參數(shù)為：采用1600℃的電弧加熱，噴槍的工作壓力為0.5～1.0MPa，噴槍的移動(dòng)速率為30mm/s，送粉器的送粉量為15g/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達(dá)到96.1％，室溫下的三點(diǎn)彎曲法測(cè)試的抗彎強(qiáng)度可達(dá)419.7MPa。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(jìn)行淬火，重復(fù)以上循環(huán)熱震10次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發(fā)生層間剝落及斷裂失效等現(xiàn)象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實(shí)施例4

預(yù)先設(shè)定復(fù)合材料的層數(shù)n＝9，材料的最上層為Y₂O₃層，厚度為2mm。過(guò)渡層為8層，每層的厚度均為1.5mm。將平均粒徑為2μm、純度99％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.5μm、純度98％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計(jì)算出過(guò)渡層的體積配比，過(guò)渡層由上到下各個(gè)層的成分分別為：

96.8vol.％Y₂O₃-3.2vol.％W，90.0vol.％Y₂O₃-10.0vol.％W，

83.0vol.％Y₂O₃-17.0vol.％W，75.0vol.％Y₂O₃-25.0vol.％W，

66.1vol.％Y₂O₃-33.9vol.％W，56.0vol.％Y₂O₃-44.0vol.％W，

43.3vol.％Y₂O₃-56.7vol.％W，25.0vol.％Y₂O₃-75.0vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的梯度漸變結(jié)構(gòu)將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa；經(jīng)200MPa冷等靜壓后，在真空熱壓燒結(jié)爐中直接進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空無(wú)壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為：1900℃時(shí)保溫1小時(shí)，氬氣保護(hù)，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達(dá)到98.5％，室溫下的三點(diǎn)彎曲法測(cè)試的抗彎強(qiáng)度為468.0MPa。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(jìn)行淬火，重復(fù)以上循環(huán)熱震20次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發(fā)生層間剝落及斷裂失效等現(xiàn)象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實(shí)施例5

預(yù)先設(shè)定復(fù)合材料的層數(shù)n＝9，材料的最上層為Y₂O₃層，厚度為2mm。過(guò)渡層為8層，每層的厚度均為1.5mm。將平均粒徑為4μm、純度99％的氧化釔粉末及平均粒徑為1μm、純度99％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計(jì)算出過(guò)渡層的體積配比，過(guò)渡層由上到下各個(gè)層的成分分別為：

96.8vol.％Y₂O₃-3.2vol.％W，90.0vol.％Y₂O₃-10.0vol.％W，

83.0vol.％Y₂O₃-17.0vol.％W，75.0vol.％Y₂O₃-25.0vol.％W，

66.1vol.％Y₂O₃-33.9vol.％W，56.0vol.％Y₂O₃-44.0vol.％W，

43.3vol.％Y₂O₃-56.7vol.％W，25.0vol.％Y₂O₃-75.0vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的梯度漸變結(jié)構(gòu)將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa。然后，在真空熱壓燒結(jié)爐中直接進(jìn)行熱壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空熱壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為：1600℃時(shí)保溫1小時(shí)，壓力為35MPa，氬氣保護(hù)，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達(dá)到99.0％，室溫下的三點(diǎn)彎曲法測(cè)試的抗彎強(qiáng)度為470.0MPa。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(wú)明顯的損傷。

實(shí)施例6

預(yù)先設(shè)定復(fù)合材料的層數(shù)n＝9，材料的最上層為Y₂O₃層，厚度為2mm。過(guò)渡層為8層，每層的厚度均為1.5mm。將平均粒徑為4μm、純度99％的氧化釔粉末及平均粒徑為1μm、純度99％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計(jì)算出過(guò)渡層的體積配比，過(guò)渡層由上到下各個(gè)層的成分分別為：

96.8vol.％Y₂O₃-3.2vol.％W，90.0vol.％Y₂O₃-10.0vol.％W，

83.0vol.％Y₂O₃-17.0vol.％W，75.0vol.％Y₂O₃-25.0vol.％W，

66.1vol.％Y₂O₃-33.9vol.％W，56.0vol.％Y₂O₃-44.0vol.％W，

43.3vol.％Y₂O₃-56.7vol.％W，25.0vol.％Y₂O₃-75.0vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的過(guò)渡層體積含量逐次放入熱噴涂的送粉器中，采用等離子噴涂工藝逐次逐層噴涂送粉，制得Y₂O₃-W梯度材料。工藝參數(shù)為：采用1700℃的電弧加熱，噴槍的工作壓力為0.5～1.0MPa，噴槍的移動(dòng)速率為40mm/s，送粉器的送粉量為10g/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達(dá)到97.3％，室溫下的三點(diǎn)彎曲法測(cè)試的抗彎強(qiáng)度為458.5MPa。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(jìn)行淬火，重復(fù)以上循環(huán)熱震20次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發(fā)生層間剝落及斷裂失效等現(xiàn)象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實(shí)施例7

預(yù)先設(shè)定復(fù)合材料的層數(shù)n＝11，材料的最上層為Y₂O₃層，厚度為2mm。過(guò)渡層為10層，每層的厚度均為1.2mm。將平均粒徑為5μm、純度99.9％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.8μm、純度99％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計(jì)算出過(guò)渡層的體積配比，過(guò)渡層由上到下各個(gè)層的成分分別為：

97.5vol.％Y₂O₃-2.5vol.％W，92.2vol.％Y₂O₃-7.8vol.％W，

86.6vol.％Y₂O₃-13.4vol.％W，80.6vol.％Y₂O₃-12.1vol.％W，

74.2vol.％Y₂O₃-25.8vol.％W，67.0vol.％Y₂O₃-33.0vol.％W，

59.2vol.％Y₂O₃-40.8vol.％W，50.0vol.％Y₂O₃-50.0vol.％W，

38.8vol.％Y₂O₃-61.2vol.％W，22.4vol.％Y₂O₃-77.6vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的梯度漸變結(jié)構(gòu)將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa。然后，在真空熱壓燒結(jié)爐中直接進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空無(wú)壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為：1850℃時(shí)保溫1小時(shí)，真空度為1.2×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達(dá)到98.6％，室溫下的三點(diǎn)彎曲法測(cè)試的抗彎強(qiáng)度為457.5MPa。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(jìn)行淬火，重復(fù)以上循環(huán)熱震25次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發(fā)生層間剝落及斷裂失效等現(xiàn)象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實(shí)施例8

預(yù)先設(shè)定復(fù)合材料的層數(shù)n＝11，材料的最上層為Y₂O₃層，厚度為2mm。過(guò)渡層為10層，每層的厚度均為1.2mm。將平均粒徑為5μm、純度99.9％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.8μm、純度99％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計(jì)算出過(guò)渡層的體積配比，過(guò)渡層由上到下各個(gè)層的成分分別為：

97.5vol.％Y₂O₃-2.5vol.％W，92.2vol.％Y₂O₃-7.8vol.％W，

86.6vol.％Y₂O₃-13.4vol.％W，80.6vol.％Y₂O₃-12.1vol.％W，

74.2vol.％Y₂O₃-25.8vol.％W，67.0vol.％Y₂O₃-33.0vol.％W，

59.2vol.％Y₂O₃-40.8vol.％W，50.0vol.％Y₂O₃-50.0vol.％W，

38.8vol.％Y₂O₃-61.2vol.％W，22.4vol.％Y₂O₃-77.6vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的梯度漸變結(jié)構(gòu)將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa。然后，在真空熱壓燒結(jié)爐中直接進(jìn)行熱壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空熱壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為：1600℃時(shí)保溫1小時(shí)，壓力為40MPa，真空度為1.2×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達(dá)到99％，室溫下的三點(diǎn)彎曲法測(cè)試的抗彎強(qiáng)度為466.0MPa。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(jìn)行淬火，重復(fù)以上循環(huán)熱震25次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料沒有發(fā)生層間剝落及斷裂失效等現(xiàn)象，其性能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。

實(shí)施例9

預(yù)先設(shè)定復(fù)合材料的層數(shù)n＝11，材料的最上層為Y₂O₃層，厚度為2mm。過(guò)渡層為10層，每層的厚度均為1.2mm。將平均粒徑為4μm、純度99.9％的氧化釔粉末及平均粒徑為1μm、純度99％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計(jì)算出過(guò)渡層的體積配比，過(guò)渡層由上到下各個(gè)層的成分分別為：

97.5vol.％Y₂O₃-2.5vol.％W，92.2vol.％Y₂O₃-7.8vol.％W，

86.6vol.％Y₂O₃-13.4vol.％W，80.6vol.％Y₂O₃-12.1vol.％W，

74.2vol.％Y₂O₃-25.8vol.％W，67.0vol.％Y₂O₃-33.0vol.％W，

59.2vol.％Y₂O₃-40.8vol.％W，50.0vol.％Y₂O₃-50.0vol.％W，

38.8vol.％Y₂O₃-61.2vol.％W，22.4vol.％Y₂O₃-77.6vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的過(guò)渡層體積含量，采用流延成型工藝，在室溫下制備具有成分梯度變化的復(fù)合材料坯體。經(jīng)過(guò)115℃干燥和185℃排膠工藝，制備出成分梯度變化的復(fù)合材料坯體。室溫下冷壓成型，壓力為100MPa。然后，在真空熱壓燒結(jié)爐中直接進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空無(wú)壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為：1850℃時(shí)保溫1小時(shí)，真空度為1.2×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達(dá)到97.6％，室溫下的三點(diǎn)彎曲法測(cè)試的抗彎強(qiáng)度為455.0MPa。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(wú)明顯的損傷。

實(shí)施例10

預(yù)先設(shè)定復(fù)合材料的層數(shù)n＝5，材料的最上層為Y₂O₃層，厚度為2mm。過(guò)渡層為3層，每層的厚度均為2mm，按從Y₂O₃層開始計(jì)算的順序，過(guò)渡層的第一層、第二層和第三層中的氧化釔與鎢的體積配比依次為3:1、1:1和1:3。最下層為鎢層，厚度為2mm。將平均粒徑為1μm、純度98％的氧化釔粉末及平均粒徑為0.2μm、純度98％的鎢粉按照如上體積配比，過(guò)渡層由上到下各個(gè)層的成分分別為：

75.0vol.％Y₂O₃-25.0vol.％W，

50.0vol.％Y₂O₃-50.0vol.％W，

25.0vol.％Y₂O₃-75.0vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的梯度漸變結(jié)構(gòu)將粉末逐層放入石墨模具中，室溫下冷壓成型，壓力為5MPa。然后，在真空熱壓燒結(jié)爐中直接進(jìn)行熱壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空熱壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為：1500℃時(shí)保溫1小時(shí)，壓力為30MPa，真空度為1.3×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達(dá)到90.4％，室溫下的三點(diǎn)彎曲法測(cè)試的抗彎強(qiáng)度為230.1MPa。在循環(huán)熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環(huán)熱震8次后，所制備的Y₂O₃-W梯度材料發(fā)生層間剝落及斷裂失效等現(xiàn)象，其性能不能滿足合金熔煉坩堝材料的服役性能。