一种铪氧化物共掺杂钨合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铪氧化物共掺杂钨合金及其制备方法，铪氧化物共掺杂钨合金包括：按重量百分比计的0.05～5％Hf、0～5％氧化物陶瓷相，余量为W和不可避免的杂质。本发明专利技术将合金化元素和第二相颗粒复合共掺杂钨合金，配合后续的热加工，使得该钨合金具有优异的力学性能，强度高韧性好，高温稳定，再结晶温度高，韧脆转变温度低并且抗辐照性能好等特点。脆转变温度低并且抗辐照性能好等特点。脆转变温度低并且抗辐照性能好等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种铪氧化物共掺杂钨合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于聚变堆面向等离子体壁材料
，特别涉及一种铪氧化物共掺杂钨合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]可控热核聚变是能够解决人类能源危机的清洁能源之一。利用强磁场约束高温等离子体的托卡马克(Tokamak)是最有希望实现可控热核聚变反应的装置。装置材料特别是面向等离子体壁偏滤器材料需要承受高温等离子体的冲刷、腐蚀以及中子辐照，使用条件极为苛刻。金属钨由于其具有高熔点、高强度、高热导率、高弹性模量、低蒸气压、低热膨胀系数、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材料之一。然而，钨存在室温脆性(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约为1100～1300℃)及辐照脆化等缺点，而且纯W在1000℃以上高温下长期使用强度会大幅降低，无法满足偏滤器材料长寿命设计的要求。因此，需要不断开发新型钨合金以提升钨材料的韧性、高温强度和高温稳定性。
[0003]目前新型钨合金主要是通过添加合金化元素如铼(Re)、铪(Hf)、钽(Ta)、钛(Ti)等形成固溶体；或添加纳米尺寸的第二相颗粒如氧化钇(Y2O3)、氧化镧(La2O3)、碳化锆(ZrC)、碳化铪(HfC)，以改善钨材料的性能。添加铼可以起到降低钨韧脆转变温度和提高再结晶温度的作用，但效果依赖铼的含量。如3～10wt％的Re含量可以获得韧性与强度的最佳组合，而接近溶解极限的25～27wt％含量能够获得最大韧性，W
‑
25Re的再结晶温度可以提高到1500℃以上，热塑性加工后韧脆转变温度降低到室温以下。但是Re是贵金属，添加Re会导致材料的成本大幅度提高，且Re在中子辐照下会转变成锇，产生大量废弃物。一直以来，人们一直寻求可以替代铼的其他固溶元素。M.Rieth发表的论文(The impact of refractory material properties on the helium cooled divertor design,Trans.Fusion Sci.Technol.61(2012)381
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384)报道的W
‑
5wt％Ta以及W
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5wt％V材料的韧性及韧脆转变温度均未得到明显改善。Z.M.Xie发表的了论文(Effect of high temperature swaging and annealing on the mechanical properties and thermal conductivity of W
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Y2O3，Journal of Nuclear Materials 464(2015)193
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199)研究报道的Y2O3颗粒弥散增强钨材料中，Y2O3颗粒为纳米级，添加量为1.0％质量分数。经过普通烧结
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挤压
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退火等制备工艺，所得W
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1wt％Y2O3在1300℃退火1h后晶粒仍保持稳定，韧脆转变温度约为200℃，另外实验结果表明退火可以显著提高W
‑
Y2O3材料室温下的导热系数，从146W/m K提高到198W/m K，并且总延伸率比未退火时提高了5.7倍。第二相粒子弥散强化钨虽然也能起到提高钨基材料再结晶温度、降低韧脆转变温度的效果，但是与W
‑
Re合金相比，还远远不足。
[0004]铪氧化物复相共掺杂钨主要是利用铪形成钨铪固溶体，元素铪能够增强晶界的结合力，改善钨的晶间断裂；弥散氧化物强化相Y2O3、Al2O3、ZrO2等钉扎位错和晶界，进一步提高材料的力学性能，实现强度与韧性的最优组合，且高密度的晶界和界面能够为辐照产生的缺陷提供捕获点，从而提高材料的抗辐照性能。该钨合金材料需要经过大变形量的热加
工才能获得高强度和良好的高温性能。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术公开了一种铪氧化物共掺杂钨合金，包括：按重量百分比计的0.05～5％Hf、0～5％氧化物陶瓷相，余量为W和不可避免的杂质。
[0006]更进一步地，所述氧化物陶瓷相为Y2O3、Al2O3、ZrO2中的一种或几种。
[0007]一种铪氧化物共掺杂钨合金的制备方法，包括以下步骤：
[0008]按照钨合金的组成成分配制原料；
[0009]将原料采用机械合金化或湿化学法进行混合，得到混合粉体；
[0010]将混合粉体进行烧结成型，得到钨合金块体；
[0011]将烧结成型后的钨合金块体进行热加工，得到铪氧化物共掺杂钨合金；
[0012]其中，铪氧化物共掺杂钨合金包括：按重量百分比计的0.05～5％Hf、0～5％氧化物陶瓷相，余量为W和不可避免的杂质。
[0013]更进一步地，所述机械合金化的具体参数如下：
[0014]控制球料比为1:1～10:1，球磨转速为300～400r/min，球磨时间为20～60h。
[0015]更进一步地，所述湿化学法的具体步骤如下：
[0016]选用仲钨酸铵作为W的原料，选用Y(NO3)3·
6H2O、Al(NO3)3·
9H2O、Zr(NO3)4·
5H2O中一种或几种作为氧化物陶瓷相的原料，以草酸作为沉淀剂，制备W
‑
氧化物陶瓷相前驱体；
[0017]将W
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氧化物陶瓷相前驱体在氢气气氛下还原，得到W
‑
氧化物复合粉末；
[0018]将W
‑
氧化物复合粉末和Hf粉按照配比的比例混合，得到混合粉体。
[0019]更进一步地，所述烧结成型采用放电等离子烧结、热等静压或普通烧结方式；
[0020]所述放电等离子烧结的具体步骤如下：
[0021]将混合粉体装入石墨模具中，控制烧结温度为1500℃～2000℃，施加压力为5～40MPa，烧结保温时间为1min～1h，烧结气氛为真空。
[0022]更进一步地，所述热等静压的操作步骤如下：
[0023]将混合粉体置入包套中，抽真空后，在1500～1800℃进行热等静压烧结，压力为10
‑
150MPa，保温时间为0.5～10h。
[0024]更进一步地，所述普通烧结的具体步骤如下：
[0025]将混合粉体在冷等静压装置中压制成生坯，然后在氢气气氛或者真空条件下，在1800～2300℃下进行普通烧结，保温时间为0.5～10h。
[0026]更进一步地，所述热加工的温度为1200～1700℃。
[0027]更进一步地，所述热加工为热轧、旋锻、锻造、挤压中的一种或几种组合；
[0028]热加工的道次为2～8道次，每道次变形量5～30％，总变形量大于等于50％。
[0029]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0030]1)合金化元素和第二相颗粒复合共掺杂钨合金，配合后续的热加工，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铪氧化物共掺杂钨合金，其特征在于，包括：按重量百分比计的0.05～5％Hf、0～5％氧化物陶瓷相，余量为W和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的铪氧化物共掺杂钨合金，其特征在于，所述氧化物陶瓷相为Y2O3、Al2O3、ZrO2中的一种或几种。3.一种铪氧化物共掺杂钨合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照钨合金的组成成分配制原料；将原料采用机械合金化或湿化学法进行混合，得到混合粉体；将混合粉体进行烧结成型，得到钨合金块体；将烧结成型后的钨合金块体进行热加工，得到铪氧化物共掺杂钨合金；其中，铪氧化物共掺杂钨合金包括：按重量百分比计的0.05～5％Hf、0～5％氧化物陶瓷相，余量为W和不可避免的杂质。4.根据权利要求3所述的铪氧化物共掺杂钨合金的制备方法，其特征在于，所述机械合金化的具体参数如下：控制球料比为1:1～10:1，球磨转速为300～400r/min，球磨时间为20～60h。5.根据权利要求3所述的铪氧化物共掺杂钨合金的制备方法，其特征在于，所述湿化学法的具体步骤如下：选用仲钨酸铵作为W的原料，选用Y(NO3)3·
6H2O、Al(NO3)3·
9H2O、Zr(NO3)4·
5H2O中一种或几种作为氧化物陶瓷相的原料，以草酸作为沉淀剂，制备W
‑
氧化物陶瓷相前驱体；将W
‑
氧化物陶瓷相前驱体在氢气气氛下还...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦思贵，王铁军，尹怡，于宏新，史英丽，
申请(专利权)人：北京安泰中科金属材料有限公司，
类型：发明
国别省市：