本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，具體地說，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合金熔煉用坩堝中的應(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(yōu)點，已成為熔煉金屬中重要的和普遍采用的坩堝和模具材料?；顫娊饘俚木珶捒梢圆捎檬釄灞砻嫱扛餐繉拥姆椒ù尜F重金屬坩堝和陶瓷坩堝。但研究發(fā)現(xiàn)，其存在基體與內(nèi)襯之間的結(jié)合狀況不良、高溫環(huán)境或熱沖擊條件下內(nèi)襯的抗熱震性能和耐侵蝕性能難以兼顧等缺點。關(guān)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。Los Alamos報道了實驗室使用石墨或高溫氧化物涂層的金屬模具熔煉金屬時，使用的氧化物涂層通常為MgO或Al₂O₃，但其效果不佳。Vasconcelos的研究結(jié)果表明，在1700K時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，并計算了涂層材料與高溫合金反應(yīng)的吉布斯自由能，計算結(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)計了高溫合金熔融反應(yīng)性實驗，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、成來飛等人分別對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)進行了熱力學(xué)計算。結(jié)果表明在1200K～1900K溫度區(qū)間內(nèi)，Y₂O₃、CaO、BeO和Ce₂O₃不會與高溫合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有良好的熱化學(xué)穩(wěn)定性，Y₂O₃對高溫合金的熱化學(xué)穩(wěn)定性最好。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(fā)了W-Y₂O₃的復(fù)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(fù)合材料坩堝的使用壽命高出10倍；在1000℃以內(nèi)，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(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(nèi)表面涂覆有一復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層為內(nèi)層、過渡梯度涂層和外層三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為SiC薄層，過渡層由高溫穩(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，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(wěn)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(shù)進行優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)目標材料熱應(yīng)力的優(yōu)化匹配，因此所述內(nèi)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(dǎo)致在制備和使用過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力不匹配現(xiàn)象，降低了整個材料構(gòu)件的熱機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陶瓷的高溫熱化學(xué)穩(wěn)定性和W金屬高強度、高導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)點；且具有層狀梯度過渡結(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程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而延長材料的使用壽命。

本發(fā)明所制備的材料可廣泛應(yīng)用于高純稀土合金熔煉領(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過渡層，所述氧化釔層位于所述多個過渡層中的氧化釔含量最大的層的一側(cè)，從所述多個過渡層中的鎢含量最大的層的一側(cè)開始計，所述多個過渡層包括第1、2、……、n-1層，所述氧化釔層為第n層；所述多個過渡層中第m過渡層的氧化釔的體積分數(shù)和鎢的體積分數(shù)根據(jù)如下公式計算：

$C_{Ym}={\left(\frac{x_m}{l}\right)}^{1.5}---\left(1\right)$

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過渡層中的氧化釔的體積分數(shù)；C_Wm為第m過渡層中的鎢的體積分數(shù)；m為1至(n-1)的自然數(shù)；l為所述多個過渡層的總厚度；n為氧化釔層和各過渡層的總層數(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、過渡層和鎢層，形成復(fù)合材料鋪層坯體，并在鋪層的同時或者之后進行成型和燒結(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合金熔煉用坩堝中的應(yīng)用。

本發(fā)明的梯度材料在經(jīng)過1200℃～1600℃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明顯的損傷，具有高熱導(dǎo)率、高密度、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的耐蝕性、優(yōu)異的抗熱沖擊性的特點。本發(fā)明在保證制備的梯度材料具有良好耐燒蝕性能同時，提高復(fù)合材料抗熱震性能和高溫力學(xué)性能，避免了貴金屬及高溫合金熔煉過程中的污染，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合金熔煉用坩堝的核心部件。本發(fā)明方法具有工藝簡單、能耗較低、環(huán)境友好，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

附圖說明

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

具體實施方式

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渡層，所述梯度材料包括氧化釔層和多個過渡層，所述氧化釔層位于所述多個過渡層中的氧化釔含量最大的層的一側(cè)，從所述多個過渡層中的鎢含量最大的層的一側(cè)開始計，所述多個過渡層包括第1、2、……、n-1層，所述氧化釔層為第n層；所述多個過渡層中第m過渡層的氧化釔的體積分數(shù)和鎢的體積分數(shù)根據(jù)如下公式計算：

$C_{Ym}={\left(\frac{x_m}{l}\right)}^{1.5}---\left(1\right)$

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過渡層中的氧化釔的體積分數(shù)；C_Wm為第m過渡層中的鎢的體積分數(shù)；m為1至(n-1)的自然數(shù)；l為所述多個過渡層的總厚度；n為氧化釔層和各過渡層的總層數(shù)且n≥3；H_i為第i層的厚度，H_m為第m過渡層的厚度，x_m為如公式(3)所示，即，第m過渡層在厚度方向上的中間位置距離所述多個過渡層中的鎢含量最大的層的外表面(遠離氧化釔層的表面)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，按照上述公式計算各過渡層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)明對所述過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，所述過渡層中每一層的厚度可以獨立地為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，或者例如所述過渡層中的鎢(所述過渡層中的氧化釔不計算在內(nèi))，其純度可以獨立地為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(nèi))的純度可以獨立地為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、過渡層和鎢層，形成復(fù)合材料鋪層坯體，并在鋪層的同時或者之后進行成型和燒結(jié)，由此制得所述梯度材料。

在一些實施方式中，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，所述復(fù)合粉末可以通過球磨濕混方式制得，其中以分散介質(zhì)和分散劑作為混合介質(zhì)，混合時間為6小時至24小時(例如6、12、18或24小時)，然后例如通過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)來除去混合介質(zhì)，從而得到混合粉末，然后將混合粉末過120目篩，得到混合均勻的復(fù)合粉末。

本發(fā)明對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％。

在一些可選的實施方式中，所述復(fù)合粉末可以通過球磨干混方式制得，其中以陶瓷球或硬質(zhì)合金球作為混合介質(zhì)，混合時間為12小時至48小時(例如12、18、24、30、36、42或48小時)，然后過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)合粉末之后對其進行造粒，以實現(xiàn)更好的成型。

在同時實現(xiàn)鋪層、成型和燒結(jié)的一些實施方式中，所述復(fù)合材料鋪層坯體可以通過等離子噴涂設(shè)備利用各粉末對相應(yīng)的層進行鋪層，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℃，由此在鋪層的同時實現(xiàn)成型和燒結(jié)。

在依次進行鋪層、成型和燒結(jié)的實施方式中，所述鋪層可以通過手工鋪層、流延法鋪層等。例如，在流延法鋪層的情況中，可以在室溫下通過流延法進行鋪設(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℃)實施排膠，從而鋪制所述復(fù)合材料鋪層坯體。然后，依次對所述坯體進行成型和燒結(jié)。所述成型可以通過室溫冷壓成型和/或冷等靜壓來實現(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)可以通過熱壓燒結(jié)或無壓燒結(jié)來進行。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(jié)氣氛可以為氬氣、氮氣或真空。無壓燒結(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℃。無壓燒結(jié)的保溫時間為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(jié)氣氛可以為氬氣、氮氣或真空。

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合金熔煉用坩堝中的應(yīng)用。

下文將通過舉例說明的方式對本發(fā)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(yīng)理解為是對本發(fā)明的保護范圍的限制。

實施例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。過渡層為4層，每層的厚度均為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％的鎢粉按照前文公式(1)至(3)計算出各過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：

81.8vol.％Y₂O₃-18.2vol.％W，49.4vol.％Y₂O₃-50.6vol.％W，

23vol.％Y₂O₃-50.0vol.％W，4.4vol.％Y₂O₃-95.6vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計的梯度漸變結(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)爐中直接進行無壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空無壓燒結(jié)的工藝參數(shù)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(fù)合材料的致密度達到96.8％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為532.0MPa。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明顯的損傷。

實施例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。過渡層為4層，每層的厚度均為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％的鎢粉按照上文所述公式(1)至(3)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：

81.8vol.％Y₂O₃-18.2vol.％W，49.4vol.％Y₂O₃-50.6vol.％W，

23vol.％Y₂O₃-50.0vol.％W，4.4vol.％Y₂O₃-95.6vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計的梯度漸變結(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℃時保溫1小時，壓力為30MPa，真空度為1.3×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達到97.6％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為535.2MPa。在循環(huán)熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環(huán)熱震15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。過渡層為4層，每層的厚度均為2mm。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)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：

81.8vol.％Y₂O₃-18.2vol.％W，49.4vol.％Y₂O₃-50.6vol.％W，

23vol.％Y₂O₃-50.0vol.％W，4.4vol.％Y₂O₃-95.6vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計的過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)合材料的致密度達到95.3％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度可達524.0MPa。在循環(huán)熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環(huán)熱震15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。過渡層為8層，每層的厚度均為1mm。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)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：

91.0vol.％Y₂O₃-9.0vol.％W，73.2vol.％Y₂O₃-26.8vol.％W，

57.0vol.％Y₂O₃-43.0vol.％W，42.2vol.％Y₂O₃-57.8vol.％W，

29.0vol.％Y₂O₃-71.0vol.％W，17.5vol.％Y₂O₃-82.5vol.％W，

8.2vol.％Y₂O₃-91.8vol.％W，1.6vol.％Y₂O₃-98.4vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計的梯度漸變結(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)爐中直接進行無壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空無壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為：1900℃時保溫1小時，氬氣保護，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)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537.0MPa。在循環(huán)熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環(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。過渡層為8層，每層的厚度均為1mm。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)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：

91.0vol.％Y₂O₃-9.0vol.％W，73.2vol.％Y₂O₃-26.8vol.％W，

57.0vol.％Y₂O₃-43.0vol.％W，42.2vol.％Y₂O₃-57.8vol.％W，

29.0vol.％Y₂O₃-71.0vol.％W，17.5vol.％Y₂O₃-82.5vol.％W，

8.2vol.％Y₂O₃-91.8vol.％W，1.6vol.％Y₂O₃-98.4vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計的梯度漸變結(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℃時保溫1小時，壓力為35MPa，氬氣保護，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達到98.5％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為551.5MPa。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

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。過渡層為8層，每層的厚度均為1mm。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)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：

91.0vol.％Y₂O₃-9.0vol.％W，73.2vol.％Y₂O₃-26.8vol.％W，

57.0vol.％Y₂O₃-43.0vol.％W，42.2vol.％Y₂O₃-57.8vol.％W，

29.0vol.％Y₂O₃-71.0vol.％W，17.5vol.％Y₂O₃-82.5vol.％W，

8.2vol.％Y₂O₃-91.8vol.％W，1.6vol.％Y₂O₃-98.4vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計的過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)合材料的致密度達到96.8％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為540.5MPa。在循環(huán)熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環(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。過渡層為10層，每層的厚度均為0.8mm。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)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：

92.6vol.％Y₂O₃-7.4vol.％W，78.4vol.％Y₂O₃-21.6vol.％W，

65.0vol.％Y₂O₃-35.0vol.％W，52.4vol.％Y₂O₃-47.6vol.％W，

40.8vol.％Y₂O₃-59.2vol.％W，30.2vol.％Y₂O₃-69.8vol.％W，

20.7vol.％Y₂O₃-79.3vol.％W，12.5vol.％Y₂O₃-87.5vol.％W，

5.8vol.％Y₂O₃-94.2vol.％W，1.1vol.％Y₂O₃-98.9vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計的梯度漸變結(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)爐中直接進行無壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空無壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為：1850℃時保溫1小時，真空度為1.2×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達到98.5％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為543.5MPa。在循環(huán)熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環(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。過渡層為10層，每層的厚度均為0.8mm。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)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：

92.6vol.％Y₂O₃-7.4vol.％W，78.4vol.％Y₂O₃-21.6vol.％W，

65.0vol.％Y₂O₃-35.0vol.％W，52.4vol.％Y₂O₃-47.6vol.％W，

40.8vol.％Y₂O₃-59.2vol.％W，30.2vol.％Y₂O₃-69.8vol.％W，

20.7vol.％Y₂O₃-79.3vol.％W，12.5vol.％Y₂O₃-87.5vol.％W，

5.8vol.％Y₂O₃-94.2vol.％W，1.1vol.％Y₂O₃-98.9vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計的梯度漸變結(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℃時保溫1小時，壓力為40MPa，真空度為1.2×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達到98.8％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為548.0MPa。在循環(huán)熱震爐氛爐中，于1200℃～1600℃之間循環(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。過渡層為10層，每層的厚度均為0.8mm。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)計算出過渡層的體積配比，過渡層由上到下各個層的成分分別為：

92.6vol.％Y₂O₃-7.4vol.％W，78.4vol.％Y₂O₃-21.6vol.％W，

65.0vol.％Y₂O₃-35.0vol.％W，52.4vol.％Y₂O₃-47.6vol.％W，

40.8vol.％Y₂O₃-59.2vol.％W，30.2vol.％Y₂O₃-69.8vol.％W，

20.7vol.％Y₂O₃-79.3vol.％W，12.5vol.％Y₂O₃-87.5vol.％W，

5.8vol.％Y₂O₃-94.2vol.％W，1.1vol.％Y₂O₃-98.9vol.％W，

按照預(yù)先設(shè)計的過渡層體積含量，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90℃干燥和280℃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5MPa。再經(jīng)200MPa冷等靜壓后制備出較為致密的成分梯度變化的復(fù)合材料坯體。在真空熱壓燒結(jié)爐中直接進行無壓燒結(jié)，制得Y₂O₃-W梯度材料。真空無壓燒結(jié)的工藝參數(shù)為：1800℃時保溫1小時，真空度為1.3×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達到98.3％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為445.0MPa。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明顯的損傷。

實施例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。過渡層為3層，每層的厚度均為2mm，按從Y₂O₃層開始計算的順序，過渡層的第一層、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，過渡層由上到下各個層的成分分別為：

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℃時保溫1小時，壓力為30MPa，真空度為1.3×10^-2Pa，降溫速度為10℃/分鐘。

復(fù)合材料的致密度達到90.4％，室溫下的三點彎曲法測試的抗彎強度為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。