一种高温稳定性好的双纳米结构钨合金及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于材料科学技术领域，公开了一种高温稳定性好的双纳米结构钨合金及其制备方法与应用。所述双纳米结构钨合金，包括以下原料组分：钨、钛和碳化锆。所述双纳米结构钨合金的制备方法，包括以下步骤：(1)原料混合：按配方比例称取各组分，在保护气氛中进行球磨，实现合金化、纳米晶化，得到纳米晶合金粉体；(2)烧结成型：将步骤(1)得到的纳米晶合金粉体置入模具中，加压烧结，制得所述双纳米结构钨合金。所述双纳米结构钨合金中钨晶粒与第二相弥散颗粒的尺寸均为纳米级，所述双纳米结构钨合金具有良好的硬度及高温稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种高温稳定性好的双纳米结构钨合金及其制备方法与应用
本专利技术属于材料科学
，特别涉及一种高温稳定性好的双纳米结构钨合金及其制备方法与应用。
技术介绍
由于核聚变反应堆中的面向等离子体壁材料需要在高温、高热负荷冲击、高能粒子轰击等极端苛刻的条件下服役，因而开发性能更好的面向等离子体壁材料成为核聚变能开发的关键。金属钨由于其具有高熔点、高强度、低热膨胀系数、高热导率、抗溅射、低氘氚滞留等特性，被认为是最有希望的聚变堆面向等离子体壁候选壁材料之一。然而，钨存在有室温脆性(商业纯钨的韧脆转变温度约400℃)、再结晶脆化(纯钨再结晶温度范围为1100-1300℃)及辐照脆化等不足，而且纯钨在1000℃以上高温时强度会大幅降低，这些都限制了钨材料在核聚变堆中的应用。因此，需要不断提升钨合金的强度和高温稳定性，从而为未来聚变堆所需的面向等离子体壁材料的开发打下基础，同时高性能的钨合金在国防及高温工业领域也有很好的应用前景。为了改善金属钨的强度和热稳定性，人们开展了大量研究和尝试，使钨的性能得到了显著提高。在钨中添加高熔点第二相颗粒，如氧化镧、碳化锆等，从而制备ODS-W(氧化物弥散强化钨基复合材料)合金，能够起到弥散强化和细化钨晶粒的作用，可以提高钨的强度和再结晶温度。但是常规方法制备的ODS-W合金，钨晶粒尺寸仍为微米或亚微米量级。ZhiDong发表的题为“Preparationofultra-finegrainW-Y2O3alloybyanimprovedwetchemicalmethodandtwo-stepsparkplasmasintering”，《JournalofAlloysandCompounds》695(2017)2969-2973的研究报道了W-Y2O3合金块材中的第二相弥散颗粒Y2O3尺寸为2-10nm或100-300nm，但是基体钨晶粒尺寸为450-550nm，仍处于亚微米范畴。在这种情况下，该W-Y2O3合金块材的硬度也由普通纯钨材料的约5GPa提升至7.3GPa。根据专利“一种纳米结构钨-碳化锆合金及其制备方法”(CN104388789B)以及题为“Extraordinaryhighductility/strengthoftheinterfacedesignedbulkW-ZrCalloyplateatrelativelylowtemperature”，《ScientificReports》5(2015)16014的论文可知，通过调控钨中碳化锆的尺寸和分布，使合金中纳米尺寸(约50nm)的ZrC大多在晶粒内分布，利用晶粒内的纳米ZrC粒钉扎或阻塞位错而提高强度，同时还有少量纳米ZrC颗粒钉扎在晶界处起到强化晶界、抑制晶粒长大的作用。更重要的是，在钨基体中，ZrC比Y2O3具有更高的热稳定性，自身不易团聚。研制的纳米结构钨-碳化锆合金展现出高强韧(室温纳米硬度约为8GPa)、良好导热性能以及优异的抗热冲击性能，合金中弥散分布的ZrC颗粒平均尺寸为50nm，但是钨晶粒尺寸仍＞1μm。如果能在细化第二相弥散颗粒的基础上进一步将钨晶粒也细化至纳米量级，可以预见将会更大程度提高钨合金材料的强度。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种高温稳定性好的双纳米结构钨合金及其制备方法与应用，所述双纳米结构钨合金中钨晶粒与第二相弥散颗粒的尺寸均为纳米级，所述双纳米结构钨合金具有良好的硬度(强度)及高温稳定性。一种双纳米结构钨合金，包括以下原料组分：钨、钛和碳化锆。碳化锆作为第二相弥散颗粒，在钨合金中分布均匀，无明显团聚，且主要分布于钨晶粒内部，少量钉扎于钨晶界处。而钛(Ti)元素能强化钨晶界，钛元素还具有低活化性、低的氢/氦嬗变效应，适用于聚变环境。尤其是，钛元素在钨基体中有较高的固溶度，适量的钛可以很容易固溶于钨基体，且不会与钨(或ZrC)发生反应生成其他金属间化合物，而易形成纳米晶W(Ti)合金粉末。同时钨在钛中的扩散激活能(430kJ/mol)也要低于钨的自扩散激活能(600kJ/mol)。此外，钛在钨晶界偏聚能低，易偏聚于钨晶界，起到充分钉扎晶界的作用，从而构建高热稳定的纳米晶W-Ti合金。本专利技术通过纳米尺寸的W(Ti)晶粒和纳米尺寸的第二相弥散颗粒碳化锆ZrC协同提升钨合金的综合性能，其性能提升机理主要包含以下几方面：第一，通过高能球磨或等离子辅助球磨工艺使原料粉体合金化和纳米晶化，通过优化工艺控制钨晶粒生长、维持纳米尺寸钨晶粒。利用添加的钛元素和纳米第二相弥散颗粒(ZrC)进一步钉扎纳米钨晶界和位错。纳米尺寸的晶粒和均匀弥散的纳米第二相颗粒显著提升合金强度。第二，钛元素以溶质原子的形式在钨基体中有效阻碍钨原子扩散，起到迟滞扩散的效果。此外，纳米第二相弥散颗粒(ZrC)具有高热稳定性，能避免粗大颗粒偏聚导致的脆化，并且纳米颗粒钉扎于纳米钨晶界处，有效阻碍晶界迁移，实现双纳米结构的高温稳定。为保证所述双纳米结构的性能，需尽可能保证原料组分的纯度，以控制双纳米结构钨合金中杂质含量≤0.1wt％。优选的，所述碳化锆为第二相弥散颗粒，颗粒的粒径为10-20nm；所述钨的晶粒粒径为20-100nm。优选的，按质量百分数计，所述双纳米结构钨合金由以下原料组分构成：钛0.5-2％，碳化锆0.2-2％，钨余量。更优选的，按质量百分数计，所述双纳米结构钨合金由以下原料组分构成：钛0.5-1.5％，碳化锆0.2-1％，钨余量。最优选的，按质量百分数计，所述双纳米结构钨合金由以下原料组分构成：钛0.8-1.0％，碳化锆0.2-0.5％，钨余量。上述双纳米结构钨合金的制备方法，包括以下步骤：(1)原料混合：按配方比例称取各组分，在保护气氛中进行球磨，实现合金化、纳米晶化，得到纳米晶合金粉体；(2)烧结成型：将步骤(1)得到的纳米晶合金粉体置入模具中，加压烧结，制得所述双纳米结构钨合金。优选的，步骤(1)中球磨的转速为300-600r/min，球磨的时间为48-72h。优选的，步骤(2)中采用热压炉或放电等离子烧结炉进行加压烧结。优选的，步骤(2)中加压烧结的温度为1200-1600℃。优选的，步骤(2)中加压烧结的压力为30-60MPa。优选的，步骤(2)中加压烧结的时间为0.5-3h。所述双纳米结构钨合金在作为高强度、耐高温材料中的应用。优选的，所述双纳米结构钨合金在作为核聚变堆面向等离子体壁材料中的应用。由于所述双纳米结构钨合金具有十分优异的高温稳定性和硬度(强度)，因而可作为高强度、耐高温材料得到应用，尤其适用于作为核聚变堆面向等离子体壁材料。相对于现有技术，本专利技术的有益效果如下：本专利技术经钛、碳化锆共掺杂所得到的双纳米结构钨合金通过纳米W(Ti)晶粒及纳米第二相颗粒(ZrC)的协同强化，具有比常规ODS(氧化物弥散强化)/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双纳米结构钨合金，其特征在于，包括以下原料组分：钨、钛和碳化锆。/n

【技术特征摘要】
1.一种双纳米结构钨合金，其特征在于，包括以下原料组分：钨、钛和碳化锆。


2.根据权利要求1所述的双纳米结构钨合金，其特征在于，所述碳化锆为第二相弥散颗粒，颗粒的粒径为10-20nm；所述钨的晶粒粒径为20-100nm。


3.根据权利要求1或2所述的双纳米结构钨合金，其特征在于，按质量百分数计，所述双纳米结构钨合金由以下原料组分构成：
钛0.5-2％，
碳化锆0.2-2％，
钨余量。


4.权利要求1-3中任一项所述的双纳米结构钨合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料混合：按配方比例称取各组分，在保护气氛中进行球磨，实现合金化、纳米晶化，得到纳米晶合金粉体；
(2)烧结成型：将步骤(1)得到的纳米晶合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东;44