高性能钨基复合材料及其应用

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1、高性能钨基复合材料及其应用推荐单位：中国有色金属工业协会推荐奖种：技术发明奖项目简介：由钨及其它合金元素组成的钨合金和纯钨材料（简称钨材）是一种极为重要的战略物质，对国民经济和国防建设起着很重要作用。目前，我国深度加工钨材料制品和技术严重短缺，钨合金和纯钨一直采用传统冶金混合-成形-烧结方法制备，其品种单一、技术含量较低，材料的组织、性能和尺寸结构受到很大的制约，不能满足航空航天、原子能、国防领域以及新能源、微电子信息、医疗、钢铁行业等领域中更高性能要求和使用场合，成为制约其应用的关键瓶颈。为此，创新提出用“纳米原位复合”替代传统钨材制备方法，设计和制备高性能钨基复合材料。经过二十多年的基础理

2、论、新技术和工程化应用三个层面的系统研究，建立了纳米原位复合技术理论，发明了高性能钨基复合材料及制备技术，开发了系列钨基复合材料，实现了规模化工业生产，材料产品已广泛应用于航空航天、原子能、核能、LED新能源、大数据超算和集成电路微电子信息工程、医疗、钢铁、高端装备制造等领域。获国家发明专利17项、实用新型专利4项，已公开国家发明专利4项，PCT专利1项，出版专著两部，发表论文100余篇。主要技术发明点如下：1、首次提出“纳米原位复合”设计制备W-Cu二元体系、W-Ni-Fe（Cu）多元合金成分体系的钨基复合材料，发明了超细/纳米钨基复合粉末和细晶钨基复合材料的制备技术，实现了完全互不相溶二元

3、体系W-Cu超饱和固溶、合金化、成分超均匀分布，建立了纳米原位复合实现超饱和固溶合金化和低温烧结致密化理论，突破了传统W渗Cu复合材料的熔渗技术和传统W-Ni-Fe（Cu）的粉末混合-高温液相烧结理论禁锢和技术缺陷，解决了传统熔渗和粉末混合-高温液相烧结制备W-Cu完全不相溶二元体系、W-Ni-Fe（Cu）多元体系钨合金成分强韧性低、均匀性差等重大问题。2、提出“微米-纳米原位复合”设计制备大尺寸钨材，建立超细/纳米晶钨粉颗粒与超粗晶钨粉颗粒的最佳有效堆积和有效复合理论。发明了超粗晶钨粉的增湿还原技术，建立了调节水分压控制W晶粒形核与生长理论，打破了传统干氢逆氢还原粗晶W粉技术；控制超细粉末与

4、超粗粉末比例达到钨粉有效“微米-纳米原位复合”，实现大尺寸钨材的高强度均匀成形和高致密化烧结；建立了大尺寸钨材旋转均匀时效-大变形热加工技术，解决了大尺寸钨材制备过程中存在的成形、烧结和大变形热加工困难的技术难题。3、提出“快速旋转-均匀受热”的全新设计理念，发明了一种粉末冶金大制品旋转烧结-时效炉。由定位烧结-时效法变为不断转换样品烧结位置的旋转烧结-时效法，实现了大尺寸钨材在烧结和时效过程中各部位受热均匀一致，保证了组织与性能的均匀，克服了传统定位烧结-时效炉在制备大尺寸钨材时存在组织不均匀、性能各向异性和热加工开裂的问题，为高性能大尺寸钨基复合材料提供关键设备保证。4、创新研制出系列高性

5、能钨基复合材料，开发出新型细晶W-Cu、W-Ni-Fe(Cu)等系列高强韧多组元钨基合金材料，实现其强度比传统提高40%以上，晶粒细化1020倍；开发出f600800mm以上大尺寸钨坩埚、f10001500mm超大规格隔热屏和鸟笼状发热体，f500mm以上高纯钨靶材等系列超大规格、大尺寸高纯钨材及其相控阵质量控制技术，实现大尺寸蓝宝石单晶炉热场系统高热稳定性、高可靠性和高寿命（使用寿命提高50%以上），以及钨靶材溅射薄膜的高稳定性和高致密控制；开发出高线轧机成品机架耐热耐磨钨辊环，其性能达到甚至超过国际最先进企业Sandvik公司水平。推广应用情况：项目技术成果已在株洲硬质合金集团有限公司、江

6、钨华茂等单位应用转化，形成了年产600吨粉末、50吨高强韧钨合金、300吨大尺寸钨材生产线，材料产品已广泛应用于航空航天、原子能、核能、LED新能源、大数据超算和集成电路微电子信息工程、医疗、钢铁、高端装备制造等领域，为航空航天、国防领域、原子能、核能等领域提供1200吨以上专用粉末和2吨、2700套细晶钨基复合材料，为上海元亮、四川鑫通、鞍钢、宝钢等单位提供600吨以上大尺寸蓝宝石单晶炉热场系统（坩埚、隔热屏、发热体）、大规格高纯钨靶材和高线轧机成品机架用系列辊环，20122014年新增产值6.5亿，累计新增产值12.2亿元以上，新增税收5500万元以上，产生了显著的社会经济效益，具有广阔的

7、推广应用前景。本项目曾获科技奖励情况：本项目主要技术发明为国内外首创，项目获得2010年度中国有色金属工业科学技术一等奖。主要完成人及技术贡献：1、范景莲，教授(第一完成人)。担任“高性能钨基复合材料及其应用”项目第一负责人，方案制定者和组织实施者。首次提出“纳米原位复合”和“微米-纳米原位复合”制备高性能钨基复合材料，发明了“纳米原位复合”制备W-Cu二元完全不相溶体系和W-Ni-Fe(Cu)多元体系的钨基复合材料和“微米-纳米复合”制备大尺寸钨材技术，对本项目的技术发明与创新点1、2、4做出了创造性贡献。2、张忠健，研究员(第二完成人)。发明了用“增湿还原”获得20-30m粗晶钨粉技术和大

8、制品旋转烧结炉，实现“微米-纳米”的有效复合，和大尺寸钨材高强度均匀成形、高致密化烧结和旋转-均匀时效，并对其进行产业化和推广应用，对本项目的技术发明与创新点2、3、4做出了创造性贡献。3、刘涛，副教授(第三完成人)。作为项目组主要技术骨干，发明了“纳米原位复合”制备W-Cu二元完全不相溶体系和W-Ni-Fe(Cu)多元体系的钨基复合材料，对本项目的技术发明与创新点1、4做出了创造性贡献。4、田家敏，高级工程师(第四完成人)。作为项目组主要技术骨干，发明了“纳米原位复合”制备W-Cu二元完全不相溶体系和W-Ni-Fe(Cu)多元体系的钨基复合材料和“微米-纳米复合”制备大尺寸钨材技术，对本项目

9、的技术发明与创新点1、2、4做出了创造性贡献。5、傅崇伟，高级工程师(第五完成人)。担任本项目组主要技术骨干，采用“微米-纳米复合”研制出大尺寸蓝宝石单晶炉热场系统和高纯钨靶材，并对其进行产业化，对本项目的技术发明与创新点2、4做出了创造性贡献。6、吴湘伟，副教授(第六完成人)。担任本项目组主要技术骨干，发明了用“增湿还原”获得20-30m粗晶钨粉技术，实现“微米-纳米”的有效复合，和大尺寸钨材高强度均匀成形、高致密化烧结和旋转-均匀时效，对本项目的技术发明与创新点2、4做出了创造性贡献。主要知识产权证明目录与本项目相关已获得授权国家发明专利17项、实用新型专利4项，另已公开国家发明专利4项，

10、PCT国际专利1项。其中，10个核心专利如下：知识产权类别知识产权具体名称国家授权号授权日期证书编号权利人发明人发明专利有效状态发明专利一种高钨含量的高致密细晶钨铜材料及其制备方法中国ZL201110007251.92012.11.071075574中南大学范景莲，刘涛，田家敏，成会朝，高杨有效发明专利一种均匀粗晶粒钨粉及碳化钨粉末的制备方法中国ZL200910044492.32012.1.4890975株洲硬质合金集团有限公司吴湘伟，张忠键，徐涛，罗劲松，陆必志，皮志明，谢晨辉有效发明专利一种粉末冶金大制品旋转烧结炉中国ZL200810031710.52010.1.13590611株洲硬质合

11、金集团有限公司张忠健、董爱国、董劼、伍文辉、刘建辉、王力民、肖可俊有效发明专利一种制备钨铜合金的方法中国ZL200610136919.92009.1.28465659株洲硬质合金集团有限公司刘孙和、傅崇伟、李鹏、吴昊有效发明专利一种超细活化钨粉的制备方法中国ZL201010049432.32013.12.1819127中南大学范景莲，韩勇，刘涛，成会朝，田家敏，高杨有效发明专利一种具有纳米晶结构的超细钨铜镍复合粉末中国ZL200910123664.62013.7.3112855 中南大学范景莲，刘涛，田家敏，成会朝，高杨，史洪刚，尚福军，李树奎有效发明专利一种用于破甲药形罩的低强度高延性钨铜复

12、合材料的制备方法中国ZL200510000904.52009.3.183285中南大学范景莲，刘涛，成会朝有效发明专利一种高强韧细晶W-Ni-Fe 合金弹芯材料的制备方法中国ZL201010049433.82014.2.1220485中南大学范景莲，龚星，刘涛，田家敏，成会朝，高杨，张忠健有效发明专利一种含稀土的细晶W-Ni-Fe合金的制备方法中国ZL200810030663.22010.1.20593250中南大学范景莲，刘涛，黄伯云，成会朝，田家敏未缴费失效发明专利用偏钨酸铵和仲钨酸铵制备高压坯强度钨粉的方法中国ZL200810031747.82011.3.30752468中南大学范景莲，游峰，田家敏，成会朝未缴费失效