[發明專利]W-V合金功能梯度材料及其放電等離子體燒結方法

有效

• 申請號: 201610722924.1
• 申請日: 2016-08-25
• 公開（公告）號: CN106216674B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 唐軍;劉保坤;譚萬斌;高超;祝嘉健;唐毅;何博;肖野
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F7/02
• 代理公司: 成都科海專利事務有限責任公司51202
• 代理人: 呂建平

技術領域

本發明屬于材料加工技術領域，涉及一種應用于聚變能的功能性材料的制備，具體涉及一種W-V合金功能梯度材料以及利用放電等離子體燒結技術制備W-V合金功能梯度材料的方法。

背景技術

聚變能技術的發展不僅依賴于關鍵材料的選擇，還依賴于影響關鍵材料的性能的材料制備技術以及多種關鍵材料連接技術。以鎢(W)和釩(V)為例，W具有較強的抗等離子體沖刷能力、較低的濺射率等優點，W及其合金是理想的面向等離子體材料的候選材料，也是最有希望用作聚變堆中的面向等離子體材料；V比起其它材料具有低活化性，優良的高溫強度性和優異的低溫延展性等，V及其合金被科學家普遍認為具有用作聚變堆熱沉材料的潛力。上述兩種材料均是聚變能技術的關鍵材料；但由于面向等離子體材料與熱沉材料的熱物理性能，特別是熱膨脹系數差異大，在部件制備和部件運行過程中將產生很大的熱應力，從而使部件過早失效，部件使用成本較高；這使得面向等離子體部件連接接頭的設計和制備成為一個難點和熱點。

本發明針對核聚變裝置中需要實現面向等離子體材料與熱沉材料有效連接的制造要求，開展了面向等離子體材料W與熱沉材料V的連接技術的研究。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種從W過渡到V且各梯度層分布均勻、結合良好、無裂紋的W-V合金功能梯度材料。

本發明另一目的旨在提供一種上述W-V合金功能梯度材料的放電等離子體燒結方法。

為了達到上述目的，本發明采取以下技術方案來實現。

本發明提供了一種W-V合金功能梯度材料，由位于兩邊的W層、V層以及位于W層和V層之間的若干W-V合金層燒結成型；各W-V合金層中的W組分含量從W層至V層成等梯度降低，V組分含量從W層至V層成等梯度升高。由于各W-V合金層中W組分含量從W層至V層成等梯度降低、V組分含量從W層至V層成等梯度升高，從而使最終燒結成型的W-V合金功能梯度材料各梯度層致密度高、分布均勻、結合良好，為聚變堆面向等離子體材料部件的選擇提供更優質的候選材料。本發明中，位于W層和V層之間的W-V合金層為3-7層，以滿足各W-V合金層中的W組分含量和V組分含量等梯度分布要求；當位于W層和V層之間的W-V合金層為4層時，各梯度層的致密度已經達到95％以上，且各梯度層之間結合性能良好，而W-V合金層僅為4層，可以簡化制備工藝流程。

本發明進一步提供了一種W-V合金功能梯度材料的放電等離子燒結方法，步驟如下：

(1)在惰性氛圍中，分別按照設定的W組分和V組分梯度分布配制W-V粉末；將不同配比W-V粉末分別加入球磨罐中，通過球磨使粉末混合均勻，形成合金粉末；

(2)在惰性氛圍中，稱量W粉末裝入磨具中并壓實，然后將該磨具放入放電等離子體燒結爐中，于60～80MPa、1750～1800℃條件下燒結成型，之后隨爐冷卻至室溫，釋放壓力即得到W片；

(3)在惰性氛圍中，稱量與步驟(2)中W粉末相同體積的V粉末裝入磨具中并壓實；然后稱取步驟(1)配制的、與步驟(2)中W粉末相同體積的合金粉末、并按照V重量百分比遞減的順序依次加入到盛有V粉末的磨具中并壓實；再將步驟(2)所得W片放入最后一層合金粉末之上并壓實；之后將磨具放入放電等離子體燒結爐中，W所在端朝上，于60～80MPa、1200～1400℃條件下燒結成型，然后釋放壓力，繼而以50～100℃/min的速度冷卻至800℃以下，再隨爐冷卻至室溫，即得到W-V合金功能梯度材料。

傳統工藝將W至V各梯度層一起燒結，但受限于V最高燒結溫度達不到1750℃，故W的致密度低于95％。上述W-V合金功能梯度材料的放電等離子燒結方法，采用特殊的分次燒結工藝，將W層的燒結單獨分離出來，能夠保證W的燒結溫度在1750～1800℃，從而使燒結后W片的致密度不低于95％；在第二次燒結過程中，首先在磨具中將粉末按照從V過渡到W的順序加入合金粉末，再將V粉末層的燒結溫度控制在1200～1400℃，燒結完成得到致密度超過95％、從W過渡到V且各層結合良好的W-V合金功能梯度材料。

上述W-V合金功能梯度材料的放電等離子燒結方法，為了防止W、V被氧化，步驟(1)-(3)中W、V粉末的稱量均在惰性氛圍下進行，這里的惰性氛圍是指氧含量低于0.1ppm、水含量低于0.1ppm且不與W、V反應的氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣氮氣等惰性氣體提供的氛圍，本發明使用的是常規氬氣。