[发明专利]一种兼具固溶和弥散强化的钨基材料及其制备方法

说明书

一种兼具固溶和弥散强化的钨基材料及其制备方法，属于粉末制备工程技术领域。制备方法以工业纯的W粉与Zr、M金属为原料，首先，通过电弧熔炼与甩带快淬技术获取ZrM非晶条带；其次，将其球磨制粉、过筛、按比例与W粉混合，配制材料；最后，将材料经球磨、压胚、烧结得到块体(W_100‑aZr_a)_100‑bM_b钨基材料。钨基材料包括W、Zr和M元素，其中M为Fe、Co和Ni元素中的一种，a和b为原子百分比，其取值为0.5≤a≤8，0＜b≤3。本发明能充分填充W粉末颗粒间隙，获得高致密度的钨基材料烧结体；所得产物兼具固溶和弥散双强化特性；有利于提升钨基材料的强化与增韧效果，且大大拓宽了材料的制备控制工艺参数，有助于降低材料生产成本，提高材料成材率与生产效率。

技术领域

本发明涉及一种兼具固溶和弥散强化钨基材料及其制备方法，属于粉末制备工程技术领域。

背景技术

因具有高熔点(3410℃)、高抗蠕变性能、高溅射阀值、低氚滞留、低热膨胀系数等优点，钨(W)及其合金已被广泛应用于航空航天、核能工程等领域。例如，W可作为面对等离子体材料用于磁约束聚变装置的偏滤器和第一壁部件。纯W的韧脆转变温度高于室温，不利于部件加工，而其再结晶温度也不能完全满足高温服役要求，这在很大程度上限制了纯W的应用范围。

有研究表明钨基材料晶界上C、N、O等杂质元素的偏聚是造成W室温脆性的主要原因之一。据此，人们尝试通过向W中添加适量的Zr，来捕获杂质O(烧结过程中Zr与O形成ZrO₂)降低杂质含量，以改善W的室温力学性能。通常合金元素Zr以Zr粉或ZrH₂粉(在温度超过560℃时分解为Zr和H₂)的形式加入到W及其合金中。钨基材料的烧结温度一般在1800℃以下，低于Zr粉熔点(1852℃)，因此添加Zr或ZrH₂粉的钨基材料烧结类型属于典型的固相烧结。Zr与O化合生成的ZrO₂易在W晶界发生团聚，向W晶粒内扩散困难。有题为“Sparkplasma sintering and mechanical properties of zirconium micro-alloyedtungsten”《Journal of Nuclear Materials》444(2014)175-180的文章，作者研究了ZrH₂添加对钨基材料烧结体的力学性能影响后发现：当Zr添加量大于0.4at.％时，将引起ZrO₂在晶界的团聚，材料韧性发生劣化；而且，钨基材料固相烧结体中ZrH₂分解产生的H₂会在基体中汇集、形成孔隙，若脱氢不完全也会造成氢脆，这些都会影响材料性能。

针对目前添加Zr的W烧结材料存在的问题，本发明拟利用非晶合金的化学成分均匀、低熔点与瞬时熔化特性，结合液相烧结技术，提供一种兼具固溶、弥散双强化效果的钨基材料及其制备方法，该方法首先将Zr与Fe、Co或Ni元素制备成低熔点非晶合金，在烧结过程中低熔点非晶添加物熔化为液态，均匀填充到W基体材料的粉末间隙中，获得高致密度的钨基材料烧结体；一方面，非晶液体有助于Zr原子的输运，Zr原子可通过固/液界面快速扩散到W晶粒中，实现固溶强化，或捕获晶粒内的O形成ZrO₂，Zr与O形成的ZrO₂也可在晶界形成，晶内和晶界均匀分布的ZrO₂共同达到弥散强化效果。本申请发明的兼具固溶、弥散双强化效果的钨基材料，成功克服了以往ZrO₂晶界团聚引起的钨基材料劣化问题，获得了强度高且韧性好的钨基材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种兼具固溶、弥散双强化效果的钨基材料及其制备方法，以解决目前添加Zr的W烧结材料制备过程中Zr扩散/固溶效率低、ZrO₂的晶界偏聚和所引起的材料性能劣化等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：