[发明专利]一种层状增韧钨及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于结构材料领域，具体涉及一种层状增韧钨及其制备方法，它尤其适用于聚变堆的第一壁结构。

背景技术

在核聚变堆中面向等离子体材料(Plasma Facing Materials，简称PFMs)是一个非常重要的材料，它关系到反应堆中等离子体的稳定性，还关系到第一壁结构材料和元件免受等离子体轰击损伤的问题。它的主要功能包括:①有效的防止进入等离子体的杂质；②有效的传递辐射到材料表面的热量；③防止非正常停堆时其他部件受等离子体轰击而损坏。因此，对面向等离子材料的总体要求是耐高温、低溅射、低氚滞留以及需要与结构材料相兼容等。

钨与核聚变中等离子体良好的兼容性已经得到证实，同时钨本身还具有高的高温强度、高熔点、高热导率、高自溅射阈值、不与氚发生共沉积以及低的腐蚀率等特点，因而被认为是核聚变反应堆中最具有前途的一类面向等离子体材料。然而现有的纯钨材料还存在以下性能缺陷，主要包括过高的韧脆转变温度(Ductile-Brittle Transition Temperature，简称DBTT)，其韧脆转变温度高达400℃左右；较低的再结晶温度，其再结晶温度在1200℃左右；以及高能辐照下陡增的自溅射率，尤其是在聚变高温等离子体辐照作用下，钨会出现辐照脆化、表面形成纳米疏松层、氚滞留量急剧攀升等现象。以上纯钨材料的性能缺陷严重限制了其在核聚变堆中的应用。要实现钨在聚变工程上的应用，在整个服役温度范围内，钨都必须克服脆性并提高韧性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种层状增韧钨及其制备方法，通过软硬交替的层状结构设计，目的在于改善钨的脆性，增强其韧性；本发明还提供了该增韧钨的制备方法。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种层状增韧钨，其特征在于，其包括相互交替层叠的基体层和增韧层，所述基体层包括钨层；所述增韧层包括金属钽片。

进一步的，所述金属钽片的厚度为30μm。

进一步的，所述钨层的厚度为150～250μm。当钨层的厚度为150～250μm，且金属钽片的厚度为30μm时，层状增韧钨具有较好的综合性能。

按照本发明的另一方面，还提供了一种制备层状增韧钨的方法，其特征在于，用于制备如上所述的包括钨层和增韧层的增韧钨材料，包括如下步骤：

S1：将钨粉在惰性气体保护下进行机械研磨，接着筛分获取粒径小于40μm的钨粉末；

S2：将金属钽片和步骤S1获得的所述钨粉末交替层叠以获得待烧结体；

S3：在惰性气体保护下对步骤S2获得所述待烧结体进行放电等离子烧结，烧结过程分为三个阶段：第一阶段在600℃～800℃、压力5KN～10KN条件下保温3min～5min；第二阶段在1100℃～1300℃、压力12KN～20KN条件下保温10min～15min；第三阶段在1600℃～1800℃、压力30KN～35KN条件下保温5min～10min。

进一步的，步骤S1获取的所述基体粉末经过氨气或者氢气还原后，才进行所述步骤S2和所述步骤S3。

进一步的，步骤S3中放电等离子烧结的升温速度为80℃/min～120℃/min。

进一步的，步骤S1中采用球磨方式实现所述机械研磨，先进行干磨，时间为5h～10h，然后加入无水乙醇进行湿磨，时间为3h～6h。球磨的球料比为8:1～15:1，球磨时球磨罐的转速为250r/min～350r/min。先进行干磨，是为了细化粉末，再加入无水乙醇湿磨是为了防止已经细化的粉末发生团聚。

本发明中，基体层也即钨层。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

通过将硬相的钨层与软相的金属钽片烧结到一起，得到具有软相和硬相交替叠加的复合材料，软相的金属钽片作为软质增韧层，受力作用时，其可发生较大塑性变形而吸收较多能量，对裂纹扩展时的裂纹尖端具有一定程度的钝化作用，还能使裂纹发生偏转，增长裂纹的扩展路径；同时，当硬相的基体层发生断裂时，软相的金属钽片还可起到桥联作用，阻碍裂纹的进一步扩展，从而达到增韧的作用；

本发明方法采用放电等离子烧结，从烧结温度上进行控制，使基体粉末发生固相烧结，在低温阶段、中温阶段及高温阶段会分别发生金属的回复、再结晶以及致密化，同时加上一定的压力，有助于促进烧结体的致密化以及钨层与金属钽片的界面的牢固结合；

按照本发明方法制备的层状增韧钨，与纯钨相比，其韧性提高50％。本发明中层状增韧钨对第一壁结构有着重要的实用意义。