[发明专利]一种高温稳定性好的双纳米结构钨合金及其制备方法与应用

说明书

本发明属于材料科学技术领域，公开了一种高温稳定性好的双纳米结构钨合金及其制备方法与应用。所述双纳米结构钨合金，包括以下原料组分：钨、钛和碳化锆。所述双纳米结构钨合金的制备方法，包括以下步骤：(1)原料混合：按配方比例称取各组分，在保护气氛中进行球磨，实现合金化、纳米晶化，得到纳米晶合金粉体；(2)烧结成型：将步骤(1)得到的纳米晶合金粉体置入模具中，加压烧结，制得所述双纳米结构钨合金。所述双纳米结构钨合金中钨晶粒与第二相弥散颗粒的尺寸均为纳米级，所述双纳米结构钨合金具有良好的硬度及高温稳定性。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，特别涉及一种高温稳定性好的双纳米结构钨合金及其制备方法与应用。

背景技术

由于核聚变反应堆中的面向等离子体壁材料需要在高温、高热负荷冲击、高能粒子轰击等极端苛刻的条件下服役，因而开发性能更好的面向等离子体壁材料成为核聚变能开发的关键。

金属钨由于其具有高熔点、高强度、低热膨胀系数、高热导率、抗溅射、低氘氚滞留等特性，被认为是最有希望的聚变堆面向等离子体壁候选壁材料之一。然而，钨存在有室温脆性(商业纯钨的韧脆转变温度约400℃)、再结晶脆化(纯钨再结晶温度范围为1100-1300℃)及辐照脆化等不足，而且纯钨在1000℃以上高温时强度会大幅降低，这些都限制了钨材料在核聚变堆中的应用。因此，需要不断提升钨合金的强度和高温稳定性，从而为未来聚变堆所需的面向等离子体壁材料的开发打下基础，同时高性能的钨合金在国防及高温工业领域也有很好的应用前景。

为了改善金属钨的强度和热稳定性，人们开展了大量研究和尝试，使钨的性能得到了显著提高。在钨中添加高熔点第二相颗粒，如氧化镧、碳化锆等，从而制备ODS-W(氧化物弥散强化钨基复合材料)合金，能够起到弥散强化和细化钨晶粒的作用，可以提高钨的强度和再结晶温度。但是常规方法制备的ODS-W合金，钨晶粒尺寸仍为微米或亚微米量级。ZhiDong发表的题为“Preparation of ultra-fine grain W-Y₂O₃ alloy by an improved wetchemical method and two-step spark plasma sintering”，《Journal of Alloys andCompounds》695(2017)2969-2973的研究报道了W-Y₂O₃合金块材中的第二相弥散颗粒Y₂O₃尺寸为2-10nm或100-300nm，但是基体钨晶粒尺寸为450-550nm，仍处于亚微米范畴。在这种情况下，该W-Y₂O₃合金块材的硬度也由普通纯钨材料的约5GPa提升至7.3GPa。根据专利“一种纳米结构钨-碳化锆合金及其制备方法”(CN104388789B)以及题为“Extraordinary highductility/strength of the interface designed bulk W-ZrC alloy plate atrelatively low temperature”，《Scientific Reports》5(2015)16014的论文可知，通过调控钨中碳化锆的尺寸和分布，使合金中纳米尺寸(约50nm)的ZrC大多在晶粒内分布，利用晶粒内的纳米ZrC粒钉扎或阻塞位错而提高强度，同时还有少量纳米ZrC颗粒钉扎在晶界处起到强化晶界、抑制晶粒长大的作用。更重要的是，在钨基体中，ZrC比Y₂O₃具有更高的热稳定性，自身不易团聚。研制的纳米结构钨-碳化锆合金展现出高强韧(室温纳米硬度约为8GPa)、良好导热性能以及优异的抗热冲击性能，合金中弥散分布的ZrC颗粒平均尺寸为50nm，但是钨晶粒尺寸仍＞1μm。

如果能在细化第二相弥散颗粒的基础上进一步将钨晶粒也细化至纳米量级，可以预见将会更大程度提高钨合金材料的强度。

发明内容