[发明专利]基于钨-钾合金的多元合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及基于钨-钾合金的多元合金及其制备方法。

背景技术

核聚变能被公认为可有效解决人类社会未来能源问题与环境问题的重要途径，目前核聚变能的开发已从基础研究阶段步入工程可行性阶段，按照预定规划，到2050年或稍后要实现聚变堆的商业化应用，聚变堆材料是核聚变能否成功商业化应用的关键因素之一。聚变堆中的面向等离子体材料(PFM)作为直接面对高温等离子体的护甲材料，由于其工作环境极端苛刻，是当前聚变堆材料研究中面临的首要难题。在已有的PFM材料中，钨-钾(以下描述中称为W-K)合金由于性能优异而受到了强烈关注。W-K合金具有极佳的抗热冲击性能，同时其再结晶温度(RCT)可达2000℃，较纯钨(W)的RCT值提高了近乎一倍，而韧脆转变温度(DBTT)却仍可低至150～200℃，克服了其它弥散强化相W基材料在提高RCT的同时会导致DBTT迅速攀升的缺点。尽管W-K合金的多项性都能优于其他W基材料，但其性能仍然不能完全满足聚变示范堆的服役要求，比如W-K合金的抗辐照性能并不优异，抗热冲击性能还有待提高等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于钨-钾合金的多元合金及其制备方法，该多元合金具有优异的抗辐照性能和抗热冲击性能。

本发明所述基于钨-钾合金的多元合金的制备方法，工艺步骤如下：

(1)在氧含量低于0.1ppm、水含量低于0.1ppm的氩气氛围中称量钨-钾合金粉末、金属X粉末和磨球并加入球磨罐中，对球磨罐抽真空至罐中的压强为(2～3)×10^-3Pa，然后向球磨罐中充氢气与氩气的混合气体，当罐中的压强为(6～7)×10⁴Pa时进行球磨形成混合粉体，球磨时间为20～60h；

所述金属X粉末的量为钨-钾合金粉末和金属X粉末总质量的0.1％～1.0％，金属X为Ti、Y中的至少一种，所述钨-钾合金粉末中K的含量为0.002wt％～0.01wt％；

(2)将步骤(1)所得混合粉体装入模具中，然后将装入混合粉体的模具放入放电等离子体烧结炉中，在40～100MPa、1600～1900℃烧结1～6min，继后随炉冷却至室温，再将压力降至常压，即得到基于钨-钾合金的多元合金。

上述方法中，所述钨-钾合金粉末的粒径≤10μm，纯度高于99.9％；所述金属X粉末的粒径≤100μm，纯度高于99.9％。

上述方法中，所述氢气与氩气的混合气体中，氢气含量为3vol％～10vol％，氩气的含量为90vol％～97vol％。

上述方法的步骤(1)中，磨球的质量与钨-钾合金粉末和金属X粉末总质量之比为(2～10):1。

上述方法的步骤(1)中，以150～400rpm的转速进行球磨。

上述方法的步骤(1)中，球磨罐的装填系数为0.2～0.4，即球磨罐中磨球、钨-钾合金粉末与金属X粉末的总体积为球磨罐总体积的20～40％。球磨时可采用两种或者两种以上粒径的磨球进行球磨，以提高球磨效率。

上述方法的步骤(2)中，放电等离子体烧结炉的升温速率为100～300℃/min。

本发明还提供了一种上述方法制备得到的基于钨-钾合金的多元合金。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种新的基于钨-钾合金的多元合金，该多元合金在W-K合金的基础上，添加金属Ti、Y中的至少一种制备而成，该多元合金兼具K泡、Y的氧化物形成的弥散强化相或/和W与Ti形成的固溶强化相的多重强化效果，与现有W-K合金相比，该多元合金晶粒更加细化，具有更高的硬度(见实施例1～4)，并且具有更优异的抗辐照性能和抗热冲击性能(见实施例1、2)。

2.由于K在本发明所述多元合金中形成了K泡，K泡均匀分布在晶粒的晶界和晶粒内部，晶界处的K泡形成弥散强化相，产生“钉扎”效应，具有阻止晶粒在高温条件下长大的作用，该多元合金的晶粒尺寸仅为1.3～7.4μm，小的晶粒尺寸能够提高多元合金的力学性能和抗辐照性能，K泡的存在能够提高再结晶温度和多元合金的高温强度以及抗热冲击性能的作用；晶粒内部的K泡使得该多元合金具有类似“蜂窝”的结构，该种结构能够降低韧脆转变温度，改善该多元合金的低温脆性，提高其可加工性。