專利名稱：復合材料的制造方法以及受熱材料與受熱材料的制造方法
技術領域：
本發明是關于熔點不同、而且不能互相固溶的兩種金屬材料，例如W與Cu復合，制造復合材料的方法以及受熱材料與受熱材料的制造方法。
對活性金屬溶解用坩堝或處于超高溫場中的受熱板機械而言，在高溫能耐高能密度的電子射線和等離子的材料，即射線靶材料多半是不可缺少的。
該射線靶材料使用于苛刻條件下，因此必須滿足下述兩種特性(1)溫度上升的熱源直下，耐熱性很好;(2)熱傳導性好，且冷卻特性優異。第(2)個特性是非常必要的，這是因為一般熱源反面就是通過某些方法冷卻。
但是，對單一材料不能分開考慮耐熱性與熱傳導性，由于一種特性決定后，另一種特性就定了，自然是有限制的。因此，一直在進行使兩個特性一起提高的材料復合化的制造方法的研究。其一是金屬中熔點最高的W與熱傳導性良好的Cu復合，制造耐熱性與熱傳導性均優異的復合材料。
但是，W與Cu復合時，兩材料互相不固溶，因此接合方法受限，主要使用單純的層壓釬焊等機械接合方法。
按上述方法制備的W與Cu的復合材料用于高溫場時，兩者的熱膨脹差別大。具體說，W為4.5×10-6/K，而Cu為17.1×10-6/K，產生的熱應力也極大。為此，W與Cu通過簡單釬焊復合時，因W與Cu的界面產生熱應力而剝離，加熱時拉伸應力在熱膨脹率小的W中容易產生裂紋。使整體熱傳導率下降，這樣隨著材料溫度的升高，最壞的情況是可能引起熔融事故。
要克服這些問題，例如改變工種材料粉未的混合比，同時通過層壓，燒結的方法制作傾斜組分材料，不過熔點差較大材料的組合也是不可能的。
本發明的目的是提供互相結合的兩材料界面的接合強度及熱傳導性優異的復合材料的制造方法，以及受熱材料與受熱材料的制造方法。
為達到上述目的，本發明的構成如下。
權利要求1所述發明為一種由高熔點材料與低熔點材料制造復合材料的方法，其特征在于該方法包括第一工藝過程與第二工藝過程。第一工藝過程得到了至少表面部分氣孔率較大，同時朝著該部分其氣孔率的分布逐漸增大的高熔點材料。第二工藝過程是由第一工藝過程得到的氣孔率大的部分溶浸低熔點材料，高熔點材料與低熔點材料的組成比率是傾斜分布的。
權利要求6所示發明為一種由高熔點材料與低熔點材料制造復合材料的方法，其特征在于，該方法包括第一、第二、第三及第四工藝過程，第一工藝過程是將高熔點材料粉末與固溶在該粉末的元素粉末相混合;第二工藝過程是將第一工藝過程得到的混合物成形，得到固溶強化成形體;第三工藝過程是將第二工藝過程中得的成形體進行處理，制造具有連續氣孔分布的高熔點材料燒結體;第四工藝過程是將第三工藝過程中得到的燒結體氣孔率大的部分溶浸低熔點材料，高熔點材料與低熔點材料的組成比率呈傾斜分布。
權利要求7所示發明是將高熔點材料與低熔點材料制造復合材料的方法，其特征在于，該方法包括第一、第二、第三及第四工藝過程。第一工藝過程是將高熔點材料粉末與在該粉末中不反應的元素或化合物粉末相混合;第二工藝過程是將第一工藝過程得到的混合物成形得到彌散強化成形體;第三工藝過程是處理第二工藝過程中得到的成形體，制造具有連續的氣孔率分布的高熔點材料燒結體;第四工藝過程是將第三工藝過程中得到的燒結體氣孔率較大部分溶浸低熔點材料，高熔點材料與低熔點材料的組成比率為傾斜分布。
權利要求8所示發明為由高熔點材料與低熔點材料制造復合材料的方法，其特征在于，該方法包括第一、第二及第三工藝過程。第一工藝過程是將高熔點材料進行軋制、鍛造等塑性加工或合金化，得到機械強度強化的基材;第二工藝過程是采用減壓等離子噴鍍方法，對第一工藝過程得到的基材噴鍍，對著噴射側形成氣孔率增大的噴鍍膜;第三工藝過程是由第二工藝過程得到的氣孔率大的噴鍍膜溶浸上述低熔點材料，高熔點材料和低熔點材料的組成比率呈傾斜分布。
權利要求9所示發明為一種用于超高溫、而且具有受熱面側與非受熱面側的受熱材料，其特征在于，在受熱面側形成熔點高、單晶化材料層，同時，從受熱面側到非受熱面側的材料組成形成傾斜分布。
權利要求10所示發明為一種低熱傳導材料與高熱傳導材料復合，制造受熱材料的方法，其特征是該方法包括第一、第二及第三工藝過程。第一工藝過程使用帶涂料(dope)軋的制材料或鍛造材料組成的基材作為低熱傳導材料，該基材上用與該基材同種材料粉末積層制成積層體;第二工藝過程是加熱燒結第一工藝過程中得到的積層體，使受熱面單結晶化，為了使受熱面的反面朝著溶浸側增大氣孔率，而積層獲得燒結體;第三工藝過程是將上述高熱傳導材料溶浸在第二工藝過程中得到的燒結體的氣孔中，上述低熱傳導材料與上述高熱傳導材料的組成比率呈傾斜分布。
根據權利要求1所示的發明，由于高熔點材料，例如W，與低熔點材料，例如Cu，的界面組成連續變化，即所謂組成傾斜化，從而得到兩材料界面的接合強度(密著性)及熱傳導性優良的復合材料。
根據權利要求6、7所示的發明，由于工藝過程中包括了在高熔點材料(例如W)中添加混合固溶元素，或者不反應的元素或者化合物，所以固溶強化或者彌散強化了高熔點材料，由此使各材料及各部分的機械強度比權利要求1敘述的復合材料要好。
根據權利要求8所示的發明，由于產生熱應力較大的部位正是用高強度材料構成的，所以與權利要求1、6、7相比，適用于更苛刻的條件，例如射線靶的情況下，能夠提供更加耐高熱負荷條件的復合材料。
根據權利要求9及10的發明，由于能夠去除容易發生晶界脆化的晶界，因此得到了能耐正常及非正常兩方面的熱負荷受熱材料。
下面結合附圖和實施例對發明進行詳細說明。
附圖的簡單說明
圖1表示本發明復合材料制造方法的第1實施例的工藝流程圖。
圖2表示圖1中W與Cu的界面上組成傾斜化的復合金屬材料模式圖。
圖3表示圖1中在W與Cu的界面上產生的應力模式圖。
圖4表示圖1中組成傾斜部分的W與Cu的混合層的熱傳導率。
圖5表示用圖1實施例得到的材料用于活性金屬熔解的坩堝的剖面圖及A部的微細組織的模式圖。
圖6表示本發明復合材料的制造方法的第二實施例的工藝流程圖。
圖7用以說明第2實施例中W粉末粒度與成形壓力對燒結體的相對密度的影響。
圖8表示本發明復合材料制造方法的第3、第4實施例的工藝流程圖。
圖9用以說明第3實施例得到材料的機械強度。
圖10表示第3實施例彌散強化材料的補充例與其主要特性。
圖11用以說明第3實施例中制造的材料用作電子射線靶例子。
圖12用以說明制造圖11的電子射線靶材料時的溶浸Cu的方法。
圖13表示電子束射到圖11所示電子射線靶時的溫度分布與機械應力分布分析結果。
圖14表示電子束射到圖11所示的電子射線靶時的熱量輸入密度與最大主應力(熱應力)及達到最高溫度的關系圖。
圖15表示本發明復合材料制造方法的第5實施例的工藝流程圖。
圖16表示第5實施例得到材料的示意剖面圖。
圖17表示本發明復合材料制造方法的第6實施例的工藝流程圖。
圖18表示本發明復合材料制造方法的第7實施例的工藝流程圖。
圖19表示本發明復合材料制造方法的第8實施例的工藝流程圖。
圖20表示第8實施例得到的材料的示意剖面圖。
符號的說明
11…坩堝主體、12…水冷用孔、13…水冷槽、14…傾斜組成領域、16…直線電子來17…水冷管、18…W合金燒結體、19…Cu、20…石墨坩堝、21…射線靶。
實施例以下參照附圖來說明本發明的實施例。圖1是為說明本發明的復合材料制造方法的第1實施例的流程圖。第一工藝過程1中，為了將得到的W粉末作成所希望的形狀，把W粉末填充到模具內(圖上未表示);第二工藝過程2中，得到第一工藝過程1中得到的W粉末的成形體;第三工藝過程3中，燒結第二工藝過程2中得到的成形體，得到W燒結體;第四工藝過程4中，在圖中未表示的容器內，熔融Cu，同時含浸第三工藝過程3中得到的W燒結體;第五工藝過程5中，機械加工第四工藝過程4中得到的復合材料，最終制成所希望形狀的產品。
由這種方法得到的復合金屬材料，可得到下述效果1)W與Cu的界面組成基本上呈連續變化，即組成傾斜化。圖2是上述方法制造的復合金屬材料的模式圖，圖2(a)是組成分布圖，圖2(b)是對于W與Cu的重量比的分布特性圖。從此圖可看出，由于W與Cu的界面組成傾斜化，與過去利用材料單純粘接與噴鍍等的機械接合的復合金屬材料相比，本實施例中的復合金屬材料由于W和Cu形成微觀的網絡結構，從而增大了其微觀接觸面積，大幅度地提高了其密著性;
2)本實施例中由于W與Cu的混合層中的熱膨脹率大體上是隨混合比連續變化，與圖3所示的，與根據上述已往的機械接合方法制備的復合金屬材料相比，可大幅度地減少因熱膨脹率差產生的熱應力(壓縮應力與拉伸應力)。因此，能夠消除W與Cu的接合部的破裂事故;
3)本實施例的材料，隨著W與Cu接觸面積的增大，能夠消除過去利用單純的粘接時出現的材料間的間隙。因此，降低了W與Cu的界面的熱阻力，從而得到與W單體與Cu單體同樣好的熱傳導性。圖4就是說明其熱傳導率特性的圖，從此圖可看出，熱傳導率較強地依賴于組成傾斜化部位的熱傳導率大的Cu，即使作為整體也能夠得到比W單體好的熱傳導性。
下面參照圖5說明上述第1實例得到的復合材料用作活性金屬溶解用的坩堝或受熱板場合的例子。圖5(a)是表示活性金屬溶解用的坩堝主體11與水冷槽13的剖面圖。圖5(b)是表示圖5(a)的A部微細組織的模式圖。坩堝主體11側由于暴露在高溫，因此，以高熔點金屬W構成，并且，水冷槽13是以熱傳導性好的Cu構成，而在W與Cu的傾斜組成領域14中，其組成是連續變化的，成為所謂的傾斜組成。另外，12是水冷用孔。
為了制造以上構成的復合材料，按圖6所示的生產流程圖進行。即在第一工藝過程21中，制作W細粉末，并將其積層為圖5坩堝主體11的形狀;第二工藝過程22中，CIP成形第一工藝過程21得到的積層體，制成W成形體;第三工藝過程23中，將第一工藝過程22中得到的W成形體放置在H2等還原性的高溫氣體中，保持數小時，制成W燒結體;第四工藝過程24中，將第三工藝過程23得到的W燒結體進行機械加工最終成坩堝形狀。這時，也包含界面的傾斜組成部都進行機械加工。
第一～第四工藝過程21～24中，通過控制原料粉末、成形壓力、燒結溫度等制造條件，以便使從坩堝主體11的內側密度為95%以上，坩堝主體11的外側密度為50%的連續變化。
第五工藝過程25中，通過某些方法熔融Cu，在Cu的熔融槽內含浸第三工藝過程23中得到的W燒結體，保持足夠的時間使熔融Cu充分滲入W燒結體的氣孔中，然后冷卻。第五工藝過程25的處理是在H2等還原性高溫氣體介質中進行的，但在第六工藝過程26中，充分冷卻后，取出放在大氣中，采用機械加工方法，加工成為所規定尺寸的坩堝主體11與水冷槽13。
用以上的制造方法制造的復合金屬材料坩堝(圖5)其傾斜組成領域14由于W與Cu的接觸面積較大，密著性及熱傳導性好。并且，由于傾斜組成領域14的組成傾斜化，減少了因W與Cu的熱膨脹率差引起的加熱時產生的熱應力峰值。
另一方面，本實施例的坩堝的特點是能夠制造在坩堝主體11的外周側，氣孔率連續變化的W燒結坩堝。關于原料粉末對燒結體密度的影響，見圖7，原材料粉末粒度在1～10um的范圍內變化時，可以制造60～95%的相對密度的W燒結體，利用這種道理，通過W粉末積層時使用的W粉末粒徑的連續變化，使得制造密度從95%到60%的連續變化的W燒結坩堝成為可能。雖然改變粉末粒徑的效果不大，但成形壓力與燒結溫度也是改變燒結體密度的方法之一，所以綜合考慮上述這些因素，可成功地制造上述W燒結坩堝主體11。所述的W燒結坩堝主體11在熔融Cu中含浸時，由于熔觸Cu容易與W浸潤，而滲入W燒結體的閉氣孔中。由于W燒結體的閉氣孔與開氣孔的差別是90%，因此，在W燒結坩堝主體11的外周側密度低的地方大部分可滲入Cu。因此，W燒結體坩堝主體11的外周側的密度為連續變化的，能制造W與Cu的組成傾斜化的坩堝。
根據以上所述的第2實施例，W與Cu的界面組成傾斜化，且W與Cu的接觸面積增大，可得如下效果a)由于提高了領域14中的密著性，同時減弱了高溫使用中領域14的熱應力，因此減少了領域14的裂紋和破裂，從而提高了壽命;
b)由于減少了領域14中的熱阻力，提高了整體傳導性，可充分發揮水冷槽13的水冷效果。這樣，在坩堝主體11內，能夠較大地產生熔融金屬的溫度梯度，降低了坩堝主體11內壁溫度，提高坩堝壽命。
以上第2實施例僅舉出活性金屬溶解用坩堝或者受熱板，此外，也適用于需要W與Cu復合的所有別的高溫機器設備。作為實施例，其復合材料不限于W與Cu的組合，任何兩種熔點不同，且互相不固溶的材料都能適用。不論是什么場合，有必要經過高熔點材料的燒結及其燒結體在低熔點熔融材料中含浸，經過這些工藝過程，就能得到在復合化金屬材料交界領域中形成組成傾斜化的材料。
下面參照圖8～圖10，說明本發明的復合材料的制造方法的第3、第4實施例。在上述第1實施例中，由于減少了W與Cu界面的熱膨脹率的變化，與過去的釬焊材料相比，可大幅度緩解熱應力。可是，第1實施例包括兩個工藝過程，即制造在板厚方向具有氣孔率分布的W燒結體工藝過程與Cu溶浸到W燒結體的氣孔中的溶浸工藝過程。因此，從機械強度方面看，不能說就足夠了，也就是說，由于控制機械強度的W經燒結工藝過程，再結晶中的晶界弱。為了使其W燒結體在板厚方向上具有氣孔率分布，不能再使用為提高機械強度的熱鍛造等后序加工。因此，即使W與Cu的界面組成傾斜化，使熱應力緩解，但由于機械強度低，往往在W中產生裂紋。
第3實施例復合材料制造方法中，為了提高第1實施例中的機械強度，如W/Cu的傾斜組成材料那樣，在單一組成的兩種材料構成的組成材料中，添加固溶的第2元素，例如，Re、Ta、Nb、Hf粉末等，保持了固溶組成傾斜化的機能，提高機械強度。
具體地說，其生產流程圖如圖8所示。第一工藝過程31中，向粒度不同的W粉末中添加Re粉末，進行混合;第二工藝過程32中，從粒度小的開始，順次積層;第三工藝過程33中，將第二工藝過程32中積層的積層體，用金屬壓力成形法或者CIP成形法成形;第四工藝過程34中，將第三工藝過程33得到的成形體燒結，固溶元素與W合金化，得到在板厚方向上具有氣孔率分布的W合金燒結體(圖9的W-HIP基材);第五工藝過程35中，將第四工藝過程34得到的W合金燒結體浸入熔融的Cu中，使Cu溶浸到氣孔中，冷卻;第六工藝過程36中，將第五工藝過程35得到的溶浸材料進行機械加工，制成所希望形狀的產品。
第4實施例中的復合材料制造方法同第3實施例一樣，為了提高第1實施例中的復合材料的機械強度，如同W/Cu的傾斜組成材料，兩種單一成分的材料構成的組合材料中，添加不固溶的第2元素或化合物，例如ThO2粉末等，保持了傾斜化彌散強化組成的機能，提高了機械強度。
具體說，第4實施例的生產流程如圖8所示，第一工藝過程31中，將ThO2粉末添加到不同粒度的W粉末里，并進行混合，其它工藝過程同第3實施例。
根據以上第3及第4實施例得到的材料具有下述的效果1)控制本體材料機械強度的W如圖9所示經合金化后，大幅度提高了抗彎強度;
2)由于W合金與Cu的界面組成傾斜化，熱膨脹率不急劇變化，因此，與已有釬焊的接合體相比，熱應力緩解;
3)由于W合金的熱傳導率要受熱傳導良好的W控制，即使ThO2的熱傳導率低至10W/mk，但總的熱傳導率幾乎不下降;
4)從本實施例得到的材料制造工藝看到，由于熱傳導性良好的Cu成為網絡組織，所以總體的熱傳導性非常良好。
第4實施例中使用ThO2作為彌散強化材料，不過只要化學穩定性好，熔點高的材料如TaB2、TiB2、HfB2、Y2O3、ZrO2都可用作彌散強化材料，這些材料見圖10。
根據第3及第4實施例，消除因熱應力引起的W與Cu界面的剝離，最終能夠消除因剝離與裂紋引起的熱阻力增大，從而消除因熱阻力增大引起的材料溫度升高和熔融事故發生。
下面參照圖11～圖14，說明第3實施例得到的材料作為電子射線靶的例子。圖11(a)、圖11(b)是上述第3實施例中得到的復合材料用作活性金屬溶解用坩堝等的射線靶的例子。圖11(a)是電子射線(EB)用靶子的模式圖，圖11(b)是沿著圖11(a)的A-A線剖面箭頭方向的剖面視圖。射線靶子121的C側暴露在EB116中，成為高溫，因此，用高熔點、高強度的W合金構成。
射線靶子121的反向側D是以熱傳導性與加工性能優異的Cu構成的，具有水冷槽117的水冷結構。而且，C側與D側面W合金與Cu的組成比為連續變化的，即所謂的傾斜組成。
圖11(a)、圖11(b)中所用的復合材料制造方法如下即W合金燒結體118的制備與圖8所示的第一工藝過程到第四工藝過程是相同的，可是向W合金燒結體118的氣孔中溶浸Cu119時，如圖12所示，氣孔率小的部位浸入大型石墨坩堝120上，其反向側使Cu額外增加。Cu溶浸完之后，通過機械加工，加工成所規定尺寸，同時加工水冷管117用孔。最后，使用Ag-Cu焊錫，釬焊水冷管子117，則完成了射線靶子121。按上述制造方法制造的射線靶子121，由于W合金與Cu的組成傾斜化，同時熱傳導性良好的Cu為網絡結構，能夠降低在使用中達到的最高溫度，緩解熱應力。
圖13是電子射線射到圖11所示的電子射線靶子時的溫度分布與熱應力分布(主應力)的分析結果。具體說，圖13(a)與圖13(c)是使用5KW/cm2的線性EB加熱時的溫度分布的有限元法分析結果，與W合金/Cu的傾斜組成材料、W合金/Cu的釬焊材料相比較的情況;圖13(b)與圖13(d)是分別使用5KW/cm2的線性EB加熱時的熱應力分布的有限元法的分析結果，將其與W合金/Cu的傾斜組成材料、W合金/Cu的釬焊材料比較的情況。結果表明，傾斜組成化材料能使最高到達溫度降低約80K，在溫度梯度變得最大的EB正下面，最大的熱應力也可降低1/3。
由于通過W合金化，謀求高強度，射線靶121能夠增加達到破壞的EB輸入功率。圖14所示是用有限元法對EB熱量輸入密度與發生最大熱應力的分析結果。如圖13所示，最大熱應力發生在熱源正下方的W合金層，由于與Cu復合，各部強度下降不那么大，當W合金層發生的應力比其強度大時，射線靶121才產生破壞。
以圖9所示的常溫下的W或W合金的強度測定結果為基礎，通過合金化，能夠增加熱量輸入。由于純W時的強度約0.4GPa，可給予的熱量輸入密度最大限度為4KW/cm2，而添加5%Re的W-5Re合金其強度為0.8GPa，約增大2倍，EB的輸入功率可達約8KW/cm2。如果熱量輸入密度為9KW/cm2，由于達到最高溫度超過W合金的熔點，即使增加Re量，提高強度也是無意義的，因此成為射線靶的適用界限。
上述的第3、第4實施例說明了關于射線靶，特別是線性EB加熱時的情況。此外，也適用于以要求耐熱性與高熱傳導性的全部高溫機械部件。射線的形態也不限于EB，能適用于所有熱源。
下面參照圖15與16說明第5實施例。第5實施例的制造方法包括第一工藝過程41到第四工藝過程44。第一工藝過程41中，通過軋制、鍛造等塑性加工，制造高強度基板45;第二工藝過程42中，在第一工藝過程41中制成的高強度基板45上(局部產生大應力的材料，例如，被EB照射的射線靶的情況下，在加熱表面上)，通過下述公知的減壓等離子噴鍍裝置噴鍍在兩材料間，形成氣孔率傾斜化的噴鍍膜;第三工藝過程43中，通過開式HIP(熱各向同性加壓裝置)，除去第二工藝過程42中得到的材料中成為破壞起點的閉氣孔(缺陷);第四工藝過程44中，向第三工藝過程得到的材料的開氣孔溶浸第2種材料，得到圖16所示的具有傾斜組成層46的復合材料。
這里簡單說明一下減壓等離子噴鍍裝置(VPS)，在高壓容器內，封入數十到數百毫米汞柱(mmHg)的減壓惰性氣體，在該氣氛中，來自等離子控制裝置的等離子噴鍍來自粉末供給裝置的粉末。
由于使用進行塑性加工的高強度基板，因此，這樣得到的材料實現強化機械強度的目的。同時，由于噴鍍法的氣孔率較大地取決于粉末的粒徑，也就是說只改變使用粉末的粒徑，就能形成氣孔率傾斜化的噴鍍膜。減壓等離子噴鍍方法由于是在數十到數百托爾(Torr)的減壓惰性氣體介質進行噴鍍，因此，膜不易被氧化，粒子間結合力強，能形成與高強度基板的密著性好的膜。同時，通過開式HIP，能夠除去熱阻力增大的原因及成為應力集中的閉氣孔。溶浸是在惰性氣體或者還原性氣體中，常壓或者高壓下進行，能用第2種材料填充開氣孔。
根據上述第5實施例，能夠減少電子射線加熱時的裂紋等損傷，同時還可增大熱量輸入密度。
下面參照圖17說明本發明的第6實施例。本實施例如圖17所示，包括第一工藝過程51到第五工藝過程55。在第一工藝過程51中，清洗基材表面;在第二工藝過程52中，通過噴鍍如減壓等離子噴鍍法，對在第一工藝過程51中清洗過的基板噴鍍與基材同種材料形成連續傾斜組成;在第三工藝過程53中，通過開式HIP，留下在第二工藝過程52中形成的開氣孔(孔與外部連通)，消除閉氣孔(孔與外部不相通);第四工藝過程54中，對第三工藝過程53中得到的氣孔溶浸低熔點金屬，例如Cu;在第五工藝過程55中，進行機械加工。
根據上述第6實施例，可得到下述效果由于第二工藝過程52中進行的減壓等離子噴鍍是在數十托爾(Torr)的惰性氣體氣氛中進行的，因此，材料不氧化。同時，由于使用的噴鍍粉末粒徑較大，內部未熔融粒子易附著，能夠形成氣孔率較大的膜。
在第三工藝過程53中進行的開式HIP處理中，能夠留下在第二工藝過程52中因減壓等離子噴鍍形成的開氣孔，消除閉氣孔。然后，對具有開氣孔氣孔傾斜化的材料W溶浸低熔點的材料Cu，在比較寬的范圍內噴鍍，能夠制造大型的連續傾斜材料。這樣在第1實施例中難得的3元曲面上也能形成傾斜組成化組織，第1實施例中是階梯傾斜，而本實施例實現了連續傾斜組成化，從而，更加緩解了熱應力，這對涂層、接頭等異種界面的熱應力的緩和起著有效作用，能提高熱循環特性，改善耐熱性。
使用W、Mo、Ta、Nb、Re、V、ZrO2、MgO、Al2O3、Y2O3、SiC、Si3N4、BN、AlN中的任何一種作為第6實施例的基體材料，可使用Cu、Ag、Fe、Ni、Co及其任何一種作為主成分的合金作為低熔點材料。
另外不限于第6實施例中使用的減壓等離子噴鍍法，如果是耐氧化特性材料的話，大氣中的噴鍍法，例如等離子噴鍍法、氣體噴鍍法、電弧噴鍍法均可以使用，可得同樣效果。
下面參照圖18工藝圖說明第7實施例。本實施例的特點是在上述第1實施例的第四工藝過程中用第2種材料溶浸到第1種材料的氣孔時，進行在高壓下處理的HIP溶浸。即在第三工藝過程63中得到燒結體后，在第四工藝過程64中通過HIP進行溶浸，此后，在第五工藝過程65中進行HIP溶浸。
現在，為使表面張力σ的流體進入半徑r的圓形細孔，設接觸角為θ，壓力P必須滿足下式P≥(2σCOSθ)÷r因此，如果材料系統已定，那么θ與σ一定，所以，要使液體進入小孔，必須提高壓力P。反言之，壓力P越增加，液體才能進入越小的孔。
因而，如果使用能夠制備高溫、高壓場的HIP裝置溶浸時，就能夠將第2種材料溶浸到開氣孔中。同時，使用Ar、He之類的惰性氣體，可排除材料的氧化問題。
此外，提高溫度一般能使接觸角θ變小，隨之COSθ也變小，壓力P一定時，半徑r也能變小，但材料的反應成了問題。
綜上所述，通過高壓場中的HIP溶浸，能夠制造不殘留開氣孔而且材料間的反應小的傾斜組成材料。由于無氣孔，可提高機械強度及熱傳導性。
在第7實施例中，為使接觸角θ變小，可在液體添加活性元素，促進向微孔中的溶浸。
下面參照圖19與圖20，說明第8實施例中的受熱材料的制造方法及通過該方法制造的受熱材料(以下稱第8實施例)。圖19是該制造方法的工藝圖。在第一工藝過程中，為了使受熱面側W、Mo的單晶化，制備帶涂料(dope)軋制材料;在第二工藝過程72中，用噴砂等方法使第一工藝過程71中得到的軋制材表面粗糙化，并傾斜積層W粉末;在第三工藝過程73中，燒結接合第二工藝過程72中得到的W軋制材料與W粉末;在第四工藝過程74中，與第三工藝過程73同時地利用2次再結晶，使W、Mo的最小表面涂料(dope)W、Mo軋制材料部分長成巨大結晶粒，制備W或者Mo燒結體(骨架)。這時，受熱面成單結晶。此后，在第五工藝過程75中，對第四工藝過程74的傾斜化氣孔中溶浸Cu，在第六工藝過程76中，進行機械加工。
通過上述工藝過程制備的受熱材料77如圖20所示。受熱面78的延展性好的單結晶W或者Mo能承受非穩定的大熱應力，而穩定的熱應力可通過其下部的W/Cu傾斜組成領域80來緩解。由于除掉了容易產生晶界脆化的W、Mo的晶界，因此，能夠制造出延展性極優異的W、Mo配設在加熱面側的受熱材料，隨著加熱性提高，也提高了抗急加熱引起的熱沖擊特性。
所述的制備上述受熱材料的實施例中要防止下面的問題，即在制造W、Mo的骨架與巨大結晶粒長大的過程中，W、Mo的粉末燒結過度時，往往不能充分地制造出氣孔率傾斜的領域。為此，本實施例使用10μm粒徑的粒子，解決這一問題。此外，通過減壓等離子噴鍍，在單結晶板的里面能夠形成W、Wo的傾斜組成領域80。先進行巨大單結晶的生長，然后在單結晶化的材料表面傾斜積層W粉末，燒結結合溶浸Cu，也能制造同樣的受熱板。
在制造受熱材料77的第8實施例中，受熱面78的材料列舉了W或Mo，但是Re、V或者是W、Mo、Re、V為主成分的合金也可用作受熱面材料。Cu、Ag、Fe或者以這些為主成分的合金作為圖21中與受熱面78的反面79(例如水冷卻面)的高熱傳導材料，從受熱面到反面也可以傾斜化組成。
本發明能夠提供二種材料接合強度(密著性)及熱傳導性優良的復合材料的制造方法以及受熱材料及受熱材料的制造方法。
權利要求
1.一種用高熔點材料與低熔點材料制造復合材料的方法，其特征是該方法包括第一、第二工藝過程第一工藝過程得到了至少使一部分表面氣孔率較大，且向著該部分的氣孔率分布逐漸增大的上述高熔點材料；第二工藝過程是將第一工藝過程得到的高熔點材料中氣孔率大的部分溶浸上述的低熔點材料；上述高熔點材料與低熔點材料的組成比率為傾斜分布。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，上述第一工藝過程為燒結或物理蒸鍍或化學蒸鍍。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，上述第一工藝過程通過噴鍍法向基材噴鍍與基材同一種材料，向著溶浸側積層以增大氣孔率。
4.根據權利要求1所述方法，其特征在于，實施上述第一工藝過程后，在實施第二工藝過程前，進行各向等熱加壓。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，上述各向等熱加壓不是在密閉容器內進行的。
6.一種用高熔點材料與低熔點材料制造復合材料的方法，其特征在于，該方法包括第一、第二、第三及第四工藝過程第一工藝過程是將高熔點材料粉末和固溶于該粉末中的元素粉末相混合;第二工藝過程是將第一工藝過程得到的混合物成形得到固溶強化的成形體;第三工藝過程是處理第二工藝過程中得到的成形體，制造具有連續氣孔率分布的高熔點材料燒結體;第四工藝過程是將第三工藝過程得到的燒結體氣孔率大的部分溶浸上述的熔點材料;上述的高熔點材料與低熔點材料的組成比率呈傾斜分布。
7.一種由高熔點材料與低熔點材料制造復合材料的方法，其特征在于，該方法包括第一、第二、第三及第四工藝過程第一工藝過程是將上述高熔點材料粉末和與該粉末不發生反應的元素或化合物粉末相混合;第二工藝過程是使第一工藝過程得到的混合物成形，得到彌散強化的成形體;第三工藝過程是處理第二工藝過程得到的成形體，制造具有連續氣孔率分布的高熔點材料燒結體;第四工藝過程是將第三工藝過程得到的燒結體氣孔率大的部分溶浸上述的低熔點材料;上述高熔點材料與上述低熔點材料的組成比率呈傾斜分布。
8.一種由高熔點材料與低熔點材料制造復合材料的方法，其特征在于，該方法包括第一、第二及第三工藝過程第一工藝過程是通過將上述高熔點材料進行軋制、鍛造等塑性加工或合金化，得到強化了機械強度的基材;第二工藝過程是采用減壓等離子噴鍍方法，對第一工藝過程得到的基材噴鍍同一種材料，形成朝著噴鍍側氣孔率增大的噴鍍膜;第三工藝過程是將第二工藝過程得到的噴鍍膜氣孔率大的部分溶浸上述低熔點材料;上述高熔點材料與上述低熔材料的組成比率呈傾斜分布。
9.一種用于超高溫、具有受熱面側與非受熱面側的受熱材料，其特征在于，在上述受熱面側能形成熔點高的單結晶化的材料層，且從上述受熱面側到非受熱面側的材料組成形成傾斜分布。
10.一種由低熱傳導材料與高熱傳導材料復合來制造受熱材料的方法，其特征在于，該方法包括第一、第二及第三工藝過程第一工藝過程中使用帶涂料(dope)的軋制材料或鍛造材料組成的基材作為上述低熱傳導材料，在該基材上用與該基材同種材料的粉末制成積層體;第二工藝過程是將第一工藝過程得到的積層體，使受熱面單結晶化，對與受熱面相反的面積層，以便朝著溶浸側增大氣孔率;第三工藝過程是將前述高熱傳導材料溶浸在第二工藝過程中得到的燒結體的氣孔中;上述低熱傳導材料與上述高熱導材料的組成比率呈傾斜分布。
11.根據權利要求10所述的受熱材料制造方法，其特征在于，上述第一工藝過程中的材料粉末積層是使用減壓等離子噴鍍方法進行積層的。
全文摘要
本發明提供了二種材料接合強度(密著性)及熱傳導性優良的復合材料的制造方法以及受熱材料及其制造方法。高熔點材料與低熔點材料復合時，包括第一工藝過程與第二工藝過程，第一工藝過程中將上述高熔點材料進行處理，得到向著溶浸側率氣孔增大的高熔點材料，第二工藝過程中，將上述低熔點材料溶融并溶浸入第一工藝過程得到的高熔點材料氣孔中且使上述兩種材料間的組成傾斜化。
文檔編號B22F7/04GK1054731SQ9110153
公開日1991年9月25日 申請日期1991年3月15日 優先權日1989年12月26日
發明者高橋雅士, 伊藤義康 申請人:東芝株式會社