[发明专利]一种微纳复合细晶钨材料的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及碳化物的微纳复合细晶钨制备方法，涉及粉末冶金和核能领域。

背景技术：

W具有高熔点、高硬度，良好的高温强度，优异的导热和导电性能，低的热膨胀系数，与等离子作用时低溅射、不与H发生化学反应、H+滞留低等特性，被认为是面向等离子体偏滤器材料的最理想选择，其在核能和航空航天等领域有着广泛的应用。

在已获得应用的钨材料中，纯钨材料是目前应用非常广泛的典型高温材料。目前国内外采用粉末高纯化和材料晶界净化的手段制备烧结纯钨材料，然后经过大变形加工手段强化钨材料，晶粒度在100μm左右，韧脆转变温度（DBTT）300～350℃，再结晶温度1300～1350℃。然而，由于传统粉末烧结轧制方法的局限性，纯钨材料存在组织非常粗大、呈纤维状取向、DBTT高、再结晶温度低、脆性大等缺陷。添加碳化物作为第二相粒子能够细化钨晶粒、提高材料的抗中子辐照能力和抗高热负荷能力，成为当前面向等离子体材料研发的一个重要方向。基于此，国内吴玉程等人2008年在论文“W-1wt%TiC纳米复合材料的组织结构与力学性能”中，采用高能球磨和热压烧结的方法制备了W-1wt%TiC的纳米复合材料，其力学性能得到提高，但材料的致密度仅达到98.4%；日本H.Kurishita等人在2008年论文“Deformability enhancement in ultra-fine grained, Ar-contained W compacts by TiC additions up to 1.1%”，2010年论文“Development of ultra-fine grained W-TiC and their mechanical properties for fusion applications”中采用机械合金化方法将W粉与0-1.1%的TiC粉末形成合金化的复合粉末，然后经过热等静压制备了W-(0-1.5)wt%TiC的材料，发现其能够增加材料的韧性，增强材料的高温力学性能，提高钨的抗中子辐照能力；本专利申请人在2011年专利“一种超高温钨复合材料及制备方法”（专利号：ZL201110013981.X）中，采用机械合金化混合均匀钨基复合粉末，该材料具有优异的高温力学性能。以上的研究充分表明了在钨中添加微量碳化物对于细化钨晶粒、提高钨的力学性能及抗中子辐照能力等方面的优势。然而直接添加碳化物并球磨混合容易造成碳化物成分分布不均和偏聚，碳化物团聚后降低材料的密度，在载荷作用下容易优先形成微裂纹从而成为裂纹源降低钨的韧性和强度。为了改善碳化物的均匀性，国内周张健等人2013年在专利“一种原位合成碳化物增强钨基复合材料的制备方法”（实质审查的生效：CN201310121054）中，以钨粉、钨铼合金粉、碳纳米管、硅粉和金属粉末为原料，采用球磨进行混合，并利用放电等离子体在1400～1800℃烧结；然而采用原位合成碳化物中碳与钨粉末、金属粉末与钨粉末均容易发生反应，从而成为杂质相导致材料性能降低；同时采用放电等离子体烧结或热等静压、热压的烧结方法不太适合于大尺寸或不规则形状样品的工程化制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于面向等离子体材料及部件和高温领域的钨材料制备方法，以满足核聚变面向等离子体材料及其部件对高性能钨的需求。本发明主要是采用“溶胶-非均相沉淀-热还原”对碳化物包覆一层钨纳米薄层，改善钨与碳化物的界面结合。

本发明所提供的一种含微量碳化物细晶钨的制备方法，其特征在于：所述细晶钨含有由微量碳化物，其中碳化物为TiC和ZrC中的一种或两种，含量在0.1～2.0%。

上述含微量碳化物的微纳复合细晶钨，其制备过程如下：

（1）纳米碳化物颗粒改性

根据成分设计选取一种或两种碳化物，配置成碳化物悬浊液，并将碳化物悬浊液与钨酸盐溶液混合搅拌，加入反应分散剂，控制pH值≤5或≥8，形成均匀胶体，使钨酸盐均匀包覆在碳化物表面；经沉淀、静置陈化、抽滤得到钨酸盐包覆的碳化物粉末；最后经热还原，制备出钨纳米薄层包覆碳化物粉末，纳米薄层厚度10-30nm。

（2）PCA高能球磨

采用液态过程控制剂PCA介质，加入保护气氛，将改性后的纳米碳化物颗粒和钨粉末与进行高能球磨，获得微纳复合粉末。

（3）干燥制粒

将复合粉末真空状态下干燥，干燥温度50-100℃；采用压制方式将复合粉末制成板状或棒状后进行粉碎、过筛。

（4）成形

将复合粉末装入压模模腔内，采用模压或等静压，对复合粉末进行成形。