[发明专利]一种含铝自钝化钨合金及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种含铝自钝化钨合金及其制备方法与应用，所述自钝化钨合金包括基体元素W以及钝化元素Cr和Al。进一步地，所述钝化元素Cr的质量百分比含量为2‑12％，钝化元素Al的质量百分比含量为1‑3％。本发明采用机械合金化得到合金粉末后进行放电等离子烧结制备所述自钝化钨合金。本发明通过在钨基体中添加一定量的铬和铝作为钝化元素，实现了抗氧化性能的明显提高，而且稳定性也得到提高，可适应更为严苛的应用环境。

技术领域

本发明涉及自钝化钨合金领域，尤其涉及一种含铝自钝化钨合金及其制备方法与应用。

背景技术

钨由于具有高的硬度、熔点以及低的物理溅射性能，广泛应用于军事、航空航天和核聚变等领域。特别是在核聚变领域，钨被认为是偏滤器和面向等离子体第一壁的首要候选材料。但是偏滤器和面向等离子体第一壁材料需要长期承受低能离子(100eV)、高热流(10～20MW/m²)、强束流(10²²～10²⁴m^-2·s^-1)、电磁辐射、高能聚变中子辐照等造成的能量损伤。特别地，在人为或自然因素导致的冷却失效事故(LOCA,Loss-of-coolant accident)中，空气和水蒸气进入真空室，会使容器内的温度在几天内达到1000℃以上，并且会在此温度下保持两个月左右。然而钨容易氧化，在500℃以上的中等高温下氧化明显加快，并伴有裂纹的产生；在1000℃以上时，钨氧化生成挥发性的WO₃，不仅会对环境造成污染，而且当装置失效时会造成难以预估的毁灭性事故。在核聚变反应堆中，钨还受到氢氦效应以及颤变效应的共同作用，使材料的性能大幅下降，导致表面开裂、脆化。所以如何改善自钝化钨合金抗高温氧化性能成为当前的研究热点。

目前，改善钨抗氧化性主要包括在合金表面制备涂层和添加合金化元素两种途径。涂层的厚度有限不能满足长时间抗氧化的要求，而且涂层与基体的热膨胀系数不同会使涂层产生裂纹和孔洞，这些缺陷成为氧向钨基体内扩散的通道使钨基体被氧化。合金化可以有效避免上述缺点，所以通过机械合金化和粉末冶金制备自钝化钨合金成为提高钨抗氧化性能的主要途径和方法。

近年来研究人员设计制备了以Cr为钝化元素的自钝化钨合金来提高钨的高温氧化性能，但是，在高温下抗氧化性能仍有待进一步提高，例如W98％-Cr2％合金在900℃下循环氧化15h，单位面积质量增加超过了175mg/cm²。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种含铝自钝化钨合金，通过在钨基体中添加铬和铝作为钝化元素，实现了抗氧化性能的明显提高。

本发明还提供上述含铝自钝化钨合金的制备方法与应用。

本发明提供一种含铝自钝化钨合金，包括基体元素W以及钝化元素Cr和Al。

本发明在现有的以Cr为钝化元素的自钝化钨合金基础上，添加钝化元素Al，高温下钝化元素优先氧化，其中Al₂O₃的稳定性优于Cr₂O₃，在合金表面形成一层连续致密的保护膜，从而起到保护合金基体的作用。

根据本发明具体实施方式提供的含铝自钝化钨合金，所述钝化元素Cr的质量百分比含量为2-12％，钝化元素Al的质量百分比含量为1-3％。更优选地，所述钝化元素Cr的质量百分比含量为2-8％，钝化元素Al的质量百分比含量为1％。

在本发明一具体实施方式中，所述含铝自钝化钨合金中，基体元素W的质量百分比含量为97％，钝化元素Cr的质量百分比含量为2％，钝化元素Al的质量百分比含量为1％。

在本发明另一具体实施方式中，所述含铝自钝化钨合金中，基体元素W的质量百分比含量为91％，钝化元素Cr的质量百分比含量为8％，钝化元素Al的质量百分比含量为1％。