[发明专利]一种高致密度细晶粒钨基材料的制备方法

说明书

本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种高致密度细晶粒钨基材料的制备方法，方法为：S1.将稀土族的盐和聚合物用液相化学法制备粉末前驱体：S2.采用高能分散进行解团聚处理得到分散均匀的掺杂钨粉，再进行冷等静压成形,得到成形坯；S3.采用两步烧结工艺制备高高致密度细晶粒钨基材料。基于无压烧结，强化金属钨烧结过程和控制钨晶粒长大。抑制烧结后期的晶粒长大来源于两个方面：一是利用第二相的弥散强化效果，二是低温两步烧结法利用晶界扩散和晶界迁移动力学的差异以控制晶粒长大。不仅可以降低金属钨的烧结致密化温度，还能有效防止钨晶粒的非均匀长大，获得具有高密度、晶粒小、热力学性能高的纳米晶均匀结构的金属钨材料。

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别提供了一种高致密度细晶粒钨基材料的制备方法。

金属钨具有高熔点、低蒸气压、低溅射产额、低氚滞留等优异性能，作为一种特殊的高温结构材料，在核聚变实验装置中的面向等离子体材料、兵器及航空航天等领域都有很重要应用。然而，金属钨存在低温脆化、再结晶脆化和辐照脆化等问题，其加工成形性能和使用寿命都受到极大限制。晶粒细化被认为是最具前景的提高金属钨塑韧性和抗辐照性能的有效方法。目前制备细晶粒金属钨通常采用纳米钨粉为原料，由于纳米粉体的晶界能和表面活性能大，烧结的驱动力很大，使得晶粒的尺寸难以控制。为了抑制金属钨的晶粒长大，常采用两种方法。一种是采用特殊烧结工艺，通过外力和辅助外场等工艺手段来实现抑制钨颗粒的长大。如热等静压、等离子体活化烧结、微波烧结、超高压力下通电烧结等。这些方法难以制备形状复杂的钨制品。此外，纳米颗粒显著的团聚现象会导致晶粒的非均匀长大，导致金属钨的热力学性能大幅度降低。可见，致密化问题和晶粒长大问题是目前纳米粉烧结面临的两个最大问题。另一种是添加纳米第二相氧化物(La₂O₃，Y₂O₃，ZrO₂)或碳化物(TiC，ZrC，HfC)，纳米颗粒均匀分散到W基体中能够限制W晶界和位错的迁移，从而抑制晶粒长大，起到细化晶粒的效果，还可以显著提高金属钨的室温及高温强度、高温稳定性以及再结晶温度。然而，一方面，纳米颗粒弥散的不均匀分布和纳米颗粒在晶界处的偏析对于氧化物弥散强化钨材料总是很大的挑战；另一方面，第二相的添加会降低金属钨制品的致密化速率，且在烧结后期消除残余孔洞需要更高的驱动力而导致晶粒长大。尽管添加氧化物可以显着减小钨的晶粒尺寸，但仍需要新的工艺方法以达到更高的性能以满足应用要求。

本发明提出了一种基于无压烧结，强化金属钨烧结过程和控制钨晶粒长大的新方法。抑制烧结后期的晶粒长大来源于两个方面：一是利用第二相的弥散强化效果，二是低温两步烧结法利用晶界扩散和晶界迁移动力学的差异以控制晶粒长大。该方法不仅可以降低金属钨的烧结致密化温度，还能有效防止钨晶粒的非均匀长大，从而获得具有纳米晶均匀结构的金属钨材料。具体思路为，首先氧化物掺杂钨粉由液相化学方法制备，然后采用高能分散处理掺杂钨粉，接着进行冷等静压成形，然后采用两步烧结工艺来制备高致密度细晶粒第二相强化钨。两步烧结是将压坯快速升温至一个较高的温度T₁，短时间保温后立即降温至较低温度T₂，然后在低温T₂下保温较长时间。第一步烧结温度T₁选择的关键是将金属坯体的致密度控制在75-85％，并且具有细小、均匀的孔隙结构。第一步烧结过程中将形成孔隙大小均匀的孔隙结构，孔隙对后续晶粒的长大具有阻碍作用，同时，在第一步烧结过程中纳米第二相优先在粉末颗粒颈部及表面析出的特性，将纳米析出相作为快速扩散通道，降低了第一步烧结温度。第二步烧结温度较低，利用晶界扩散和较长时间保温来消除坯体中的孔隙，此过程中晶界迁移受到孔洞和第二相的双重抑制，但保持晶界扩散的活性。因此，晶粒不会发生明显的长大，此阶段虽然致密化动力学较慢，但是足以使坯体获得高的致密度。能够制备出接近全致密的第二相强化钨制品，致密度大于98％，而且能够实现金属制品的近终成形。细晶粒有效提高了钨的力学性能，扩大其使用范围。是一种低成本制备高致密度细晶钨基材料的方法。

发明内容