一种微量元素和稀土氧化物复合强化钨基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种微量元素和稀土氧化物复合强化钨基复合材料的制备方法，采用湿化学法制备W‑Zr‑Y

A preparation method of tungsten matrix composite reinforced by trace elements and rare earth oxides

The invention discloses a preparation method of W \u2011 Zr \u2011 Y composite reinforced by trace elements and rare earth oxides by wet chemical method

【技术实现步骤摘要】
一种微量元素和稀土氧化物复合强化钨基复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种钨基复合材料的制备方法，具体地说是一种微量元素和稀土氧化物复合强化钨基复合材料的制备方法。
技术介绍
聚变能是目前解决人类社会能源问题的重要能源之一，可实现能源取之不尽用之不竭。经过国际间的不懈努力，研究出的磁约束聚变装置托卡马克(Tokamak)为其实现提供了可能性，但是在实际运作中还存在一些问题。在等离子体运作过程中会产生高的热负荷，离子通量和中子负载作用在面向等离子体材料(PlasmaFacingMaterials，简称PFMs)上，因此提高面向等离子体材料的性能至关重要。钨具有高熔点、高热导、抗溅射能力强等特点，目前被认为是最有前景的PFMs。但是钨还存在一系列的脆性问题如低温脆性、再结晶脆性等，主要是O、N等杂质在晶界，降低了晶界的粘聚力。经过一系列研究，发现通过合金化、弥散强化可以有效改善钨基复合材料的力学性能。例如：向钨基体中加入少量活性元素(如Zr)，与杂质结合形成化合物从而实现微合金化；加入氧化物(如Y2O3)可以细化晶粒，且第二相弥散分布在钨基体中，对材料起到强化作用。但是传统机械合金化法制备的复合粉体中容易掺杂杂质，且对后序烧结得到的复合材料性能有一定的影响。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种微量元素和稀土氧化物复合强化钨基复合材料的制备方法，采用湿化学法制备W-Zr-Y2O3复合材料。在制备W-Zr-Y2O3复合前驱体时，Zr元素和陶瓷相Y2O3的加入促使还原后的W-Zr-Y2O3复合粉末中第二相尺寸较小且均匀分布，为后序烧结得到高硬度的W-Zr-Y2O3复合材料奠定了基础。本专利技术微量元素和稀土氧化物复合强化钨基复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1：前驱体的制备首先将硝酸钇(Y(NO3)3·6H2O，Aladdin，纯度≥99.5％)，硝酸锆(Zr(NO3)4·5H2O，Aladdin)和三乙醇胺(C16H22N4O3，纯度99％)溶解在去离子水中制成溶液；然后加入溶解在去离子水中的偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)溶液，充分搅拌得到混合溶液；最后将草酸(C2H2O4·2H2O，分析纯)加入混合溶液中，加热搅拌至溶液完全蒸发，得到的沉淀物即为前驱体；步骤1中，硝酸钇、硝酸锆、三乙醇胺和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的0.5-0.7％、0.2-0.4％、6％、38.9％。步骤2：还原将步骤1获得的前驱体在研钵中充分研磨，然后放入管式炉中，在氢气气氛下进行两步还原；在还原过程中，氢气纯度≥99.999％，首先将温度升至545-665℃，保温55-75分钟；随后升温至750-850℃，保温115-135分钟；步骤3：烧结将步骤2获得的还原后的W-Zr-Y2O3复合粉末装入石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中进行烧结。烧结过程分为三步：首先将温度升到795-835℃保温4-6分钟，然后将温度升到1275-1325℃保温18-22分钟，最后将温度升到1775-1825℃保温1-3分钟。烧结结束后模具随炉冷却至室温，随即得到W-Zr-Y2O3复合材料。本专利技术用湿化学法制备的W-Zr-Y2O3复合材料的晶粒尺寸较小，且第二相在钨基复合材料中均匀，无明显团聚，这显著提高了W-Zr-Y2O3复合材料的硬度。本专利技术的有益效果体现在：本专利技术用湿化学法制备了W-Zr-Y2O3复合材料，使Zr4+和Y3+在钨的化合物中均匀分散。在后序烧结得到的W-Zr-Y2O3复合材料中，Zr与C、O等杂质形成的碳化物或氧化物分布在晶界，且Y2O3均匀分布在钨基复合材料中。复合材料致密度达到98％以上，晶粒尺寸为1.5-2.5μm。这使得W-Zr-Y2O3复合材料的硬度达490-530HV0.2，优于纯钨材料(晶粒尺寸约为15μm，硬度为340HV0.2)。附图说明图1是W-Zr-Y2O3复合粉体的扫描图。可以看出粉体颗粒尺寸较小，大颗粒尺寸约200nm，小颗粒尺寸在50nm以下。图2是W-Zr-Y2O3复合材料的断口形貌图。从图中可以看出复合材料几乎无孔洞存在，尺寸约1.5μm，且可看出断口表面有许多凹坑存在，可表明尺寸较小的第二相均匀分布在钨基体中。具体实施方式实施例1：本实施例中微量元素和稀土氧化物复合强化钨基复合材料的制备方法如下：1、前驱体的制备首先将硝酸钇(Y(NO3)3·6H2O，Aladdin，纯度≥99.5％)，硝酸锆(Zr(NO3)4·5H2O，Aladdin)和三乙醇胺(C16H22N4O3，纯度99％)溶解在去离子水中制成溶液；然后加入溶解在去离子水中的偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)溶液，充分搅拌得到混合溶液；最后将草酸(C2H2O4·2H2O，分析纯)加入混合溶液中，加热搅拌至溶液完全蒸发，得到的沉淀物即为前驱体；其中，硝酸钇、硝酸锆、三乙醇胺和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的0.5％、0.2％、6％、38.9％。2、还原将步骤1获得的前驱体在研钵中充分研磨，然后放入管式炉中，在氢气气氛下进行两步还原；在还原过程中，氢气纯度≥99.999％，首先将温度升至545℃，保温75分钟；随后升温至750℃，保温115分钟；3、烧结将步骤2获得的还原后的W-Zr-Y2O3复合粉末装入石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中进行烧结。烧结过程分为三步：首先将温度升到795℃保温4分钟，然后将温度升到1275℃保温18分钟，最后将温度升到1775℃保温1分钟。烧结结束后模具随炉冷却至室温，随即得到W-Zr-Y2O3复合材料。复合材料的晶粒尺寸为1.5μm，硬度达490HV0.2，优于纯钨材料(晶粒尺寸约为15μm，硬度为340HV0.2)。实施例2：本实施例中微量元素和稀土氧化物复合强化钨基复合材料的制备方法如下：1、前驱体的制备首先将硝酸钇(Y(NO3)3·6H2O，Aladdin，纯度≥99.5％)，硝酸锆(Zr(NO3)4·5H2O，Aladdin)和三乙醇胺(C16H22N4O3，纯度99％)溶解在去离子水中制成溶液；然后加入溶解在去离子水中的偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)溶液，充分搅拌得到混合溶液；最后将草酸(C2H2O4·2H2O，分析纯)加入混合溶液中，加热搅拌至溶液完全蒸发，得到的沉淀物即为前驱体；其中，硝酸钇、硝酸锆、三乙醇胺和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的0.6％、0.3％、6％、38.9％。2、还原将步骤1获得的前驱体在研钵中充分研磨，然后放入管式炉中，在氢气气氛下进行两步还原；在还原过程中，氢气纯度≥99.999％，首先将温度升至605℃，保温65分钟；随后升温至800℃，保温125分钟；3、烧结将步骤2获得的还原后的W-Zr-Y2O3复合粉末装入石墨模具中，再将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微量元素和稀土氧化物复合强化钨基复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：/n步骤1：前驱体的制备/n首先将硝酸钇，硝酸锆和三乙醇胺溶解在去离子水中制成溶液；然后加入溶解在去离子水中的偏钨酸铵溶液，充分搅拌得到混合溶液；最后将草酸加入混合溶液中，加热搅拌至溶液完全蒸发，得到的沉淀物即为前驱体；/n步骤2：还原/n将步骤1获得的前驱体在研钵中充分研磨，然后放入管式炉中，在氢气气氛下进行两步还原；/n步骤3：烧结/n将步骤2获得的还原后的W-Zr-Y

【技术特征摘要】
1.一种微量元素和稀土氧化物复合强化钨基复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：前驱体的制备
首先将硝酸钇，硝酸锆和三乙醇胺溶解在去离子水中制成溶液；然后加入溶解在去离子水中的偏钨酸铵溶液，充分搅拌得到混合溶液；最后将草酸加入混合溶液中，加热搅拌至溶液完全蒸发，得到的沉淀物即为前驱体；
步骤2：还原
将步骤1获得的前驱体在研钵中充分研磨，然后放入管式炉中，在氢气气氛下进行两步还原；
步骤3：烧结
将步骤2获得的还原后的W-Zr-Y2O3复合粉末装入石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结结束后模具随炉冷却至室温，随即得到W-Zr-Y2O3复合材料。


2.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗来马，周宇芬，吴玉程，谭晓月，刘东光，昝祥，朱晓勇，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34