[发明专利]一种抗高温氧化的W-Cr-Al复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种抗高温氧化的W‑Cr‑Al复合材料及其制备方法，其中抗高温氧化W‑Cr‑Al复合材料的掺杂合金元素为Cr与Al，各组分按质量百分比构成为：Cr 8‑16％，Al 1‑4％，余量为W。向W粉中掺杂合金中间相粉末，经过放电等离子烧结制备合金样品。在800‑1200℃的高温含氧的气氛中，Cr与Al分别氧化形成Cr₂O₃与Al₂O₃致密的钝化保护层，阻止氧气进一步深入，从而显著提高了W基材料在高温含氧环境中的抗氧化性能。

一、技术领域

本发明涉及一种金属复合材料及其制备方法，具体地说是一种抗高温氧化的W-Cr-Al复合材料及其制备方法。

二、背景技术

受控热核聚变能是人类社会未来的理想能源，被认为是可以有效解决人类未来能源需求的主要出路之一。钨具有高熔点、高热导、对氘和氚的吸附量极小、放射性低、不与H反应、抗溅射能力强等特点，从目前研究来看，钨被认为是最有前景的PFMs(Plasma FacingMaterials)。但聚变反应堆出现冷却剂失效的事故时，空气将进入真空的反应堆中，PFMs将承受1200℃的瞬时温度。在实际应用中，潮湿空气中氧气与水蒸气的协同作用使得钨材料迅速氧化。为了研发自钝化的智能钨合金，国内外研究人员采用了掺杂Cr元素对钨的抗氧化性能进行改善。W-Cr二元合金形成致密氧化层Cr₂O₃，但长期暴露于高温氧化环境中Cr₂O₃氧化层难以保持稳定，无法维持长期的钝化。因此向W-Cr二元合金体系中加入活化元素，提高合金的抗氧化性能。

目前，研究报道掺杂W-Cr合金较多的活化元素主要有Ti、Y、Ni元素等。然而采用Al元素掺杂W-Cr合金未见报道。Cr、Al掺杂W基合金可以显著提高W合金的抗氧化性能。

三、发明内容

本发明旨在提供一种抗高温氧化的W-Cr-Al复合材料及其制备方法，经过烧结制备的抗高温氧化W-Cr-Al复合材料的抗高温氧化与抗水雾高温氧化性能得到显著提高。

本发明抗高温氧化的W-Cr-Al复合材料，其掺杂合金元素为Cr与Al，其中各组分按质量百分比构成为：Cr 8-16％，Al 1-4％，余量为W。

本发明抗高温氧化的W-Cr-Al复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：制粉

将钨粉与Cr/Al中间相合金粉在400转/分钟的混粉机中搅拌混合2小时，获得W-Cr-Al复合粉末；搅拌混合过程中，粉料的体积控制在混料罐体积的三分之一。

钨粉的颗粒尺寸为1-10微米，Cr/Al中间相合金粉的颗粒尺寸为10-20微米。

步骤2：烧结

将W-Cr-Al复合粉末装入石墨模具，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空，依次升温至1200℃保温15分钟、1600℃保温3min，保温结束后降至室温，即得到W-Cr-Al复合材料。

烧结过程中，升温速率为100℃/min，降温速率为100℃/min。

烧结过程中，在升温至1000℃时充入氩气作为保护气进行负压烧结，烧结中控制压强不超过47.3MPa。

本发明的有益效果体现在：