[发明专利]一种纳米相分离烧结制备钨材料的方法

说明书

一种纳米相分离烧结制备钨材料的方法，通过高能球磨制备出具有纳米晶晶粒结构和过饱和固溶体特征的机械合金化粉末，然后采用无压烧结和无包套热等静压工艺致密化，得到钨基复合材料。在烧结过程中纳米晶粒过饱和固溶体粉末发生相分离，纳米析出相优先在纳米晶颈部和粉末颗粒表面析出，形成快速迁移通道，促进烧结致密化，降低烧结温度。随着烧结温度的升高，纳米析出相向钨基体中扩散，留下晶界元素富集区。综合利用晶界元素偏聚区和二次相能够更有效的抑制晶粒长大。本发明烧结过程为固相烧结，烧结温度低，避免第二相在高温烧结过程中明显长大，适合制备大尺寸细晶钨基材料，制备出的钨基材料接近全致密、组织结构均匀、综合力学性能优异。

技术领域

本发明属于难熔金属烧结致密化技术领域，特别提供了一种纳米相分离烧结制备钨材料的方法。

背景技术

钨具有高熔点、高热导率、低蒸气压、低溅射产额、低氚滞留等优异性能，但是存在韧脆转变温度较高、再结晶温度较低和辐照脆化等问题。利用晶粒细化、第二相粒子(碳化物、氧化物)掺杂等方法，使钨材料的晶粒细化和纳米化，是最具前景的提高钨材料塑韧性和抗辐照性能的方法。纳米晶钨材料中纳米晶粒、大量的大角度晶界、以及纳米第二相不仅能够强烈阻碍位错运动，显著提高材料的强度和韧性，降低韧脆性转变温度，促进局部绝热剪切带的形成，而且能够捕获辐照产生的缺陷，提高抗热流/粒子流辐照性能。纳米晶钨材料作为一种重要的高温结构材料，在核聚变实验装置中的面向等离子体材料、国防工业及航空航天等领域都有很重要应用前景。

粉末冶金工艺是制备超细/纳米晶钨材料的主要方法之一。由于钨的熔点高，自扩散系数低，烧结极其困难，通常需要采用高温高压烧结或其它外场(等离子体等)的辅助来进行致密化，限制了样品尺寸，并且高的烧结温度会导致晶粒长大。钨材料的强化烧结一直是钨材料的重要研究方向。传统强化烧结方法主要有固相活化烧结和液相烧结两种。固相活化烧结时添加少量Ni、Fe、Pd等过渡元素，这些元素在钨颗粒表面偏析并形成几纳米厚的无序晶间薄膜，烧结过程中晶界预熔并形成钨原子快速扩散层，但是晶间薄膜和较大的晶粒尺寸(3-50μm)会严重降低高温力学性能。液相烧结时钨颗粒的溶解-析出会导致晶粒快速粗化(<100μm)。可见，上述强化烧结工艺都不适合制备超细/纳米晶钨合金。Chookajorn等人提出纳米相分离烧结机制，它是利用具有纳米晶粒结构和过饱和固溶体特征的互不溶系钨合金的相分离行为来促进烧结的一种方法，相分离形成的纳米相优先在纳米晶粒颈部及粉末颗粒表面析出，在烧结过程中形成烧结颈，充当钨原子长程迁移的快速扩散通道，并形成晶界元素富集区阻碍晶粒长大，达到加速烧结、降低烧结温度和稳定纳米晶结构的目的。但是，该方法抑制晶粒长大主要依靠晶界合金元素富集区，它在高温使用的过程中存在稳定性较低，随着合金元素的扩散，晶界富集区对晶界迁移和位错运动的钉扎作用减弱，会导致晶粒的长大和高温力学性能下降。本发明在上述研究的基础上，在互不溶系钨基合金中添加纳米第二相粒子，利用纳米第二相更有效的抑制晶粒长大和高温下钉扎位错运动，从而提高钨合金的强韧性和高温力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米相分离烧结制备钨材料的方法。以互不溶系钨基合金作为基础成分，并添加0维或1维氧化物或碳化物第二相(TiC、Y₂O₃颗粒或纳米线)。互不溶系钨基合金是指钨与合金元素掺混时，系统的混合自由能大于0的合金体系，系统内各组元是以相分离的状态存在，具有不均一的形态和性质。通过高能球磨制备出具有纳米晶晶粒结构和过饱和固溶体特征的机械合金化粉末。然后采用无压烧结工艺致密化，得到钨材料。在烧结过程中纳米晶粒过饱和固溶体粉末发生相分离，纳米析出相优先在纳米晶颈部和粉末颗粒表面析出，形成快速迁移通道，促进烧结致密化，降低烧结温度。随着烧结温度的升高，纳米析出相向钨基体中扩散，留下晶界元素富集区。综合利用晶界元素偏聚区和二次相能够更有效的抑制晶粒长大。最后，对烧结态钨材料进行无包套热等静压，消除残留的少量孔隙，最终得到高致密度的超细、纳米晶钨材料。制备工艺如图1所示。

一种纳米相分离烧结制备钨材料的方法，其特征在于具体步骤为：