[發明專利]一種納米相分離燒結制備鎢材料的方法

在審

• 申請號: 201810175686.6
• 申請日: 2018-03-02
• 公開（公告）號: CN108330371A
• 公開（公告）日: 2018-07-27
• 發明（設計）人: 章林;曲選輝;路新;龍瑩;李星宇;王光華;張鵬;王道寬
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C27/04
• 分類號: C22C27/04;C22C1/05;C22C1/10;B22F3/10;B22F3/15
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種納米相分離燒結制備鎢材料的方法，通過高能球磨制備出具有納米晶晶粒結構和過飽和固溶體特征的機械合金化粉末，然后采用無壓燒結和無包套熱等靜壓工藝致密化，得到鎢基復合材料。在燒結過程中納米晶粒過飽和固溶體粉末發生相分離，納米析出相優先在納米晶頸部和粉末顆粒表面析出，形成快速遷移通道，促進燒結致密化，降低燒結溫度。隨著燒結溫度的升高，納米析出相向鎢基體中擴散，留下晶界元素富集區。綜合利用晶界元素偏聚區和二次相能夠更有效的抑制晶粒長大。本發明燒結過程為固相燒結，燒結溫度低，避免第二相在高溫燒結過程中明顯長大，適合制備大尺寸細晶鎢基材料，制備出的鎢基材料接近全致密、組織結構均勻、綜合力學性能優異。

技術領域

本發明屬于難熔金屬燒結致密化技術領域，特別提供了一種納米相分離燒結制備鎢材料的方法。

背景技術

鎢具有高熔點、高熱導率、低蒸氣壓、低濺射產額、低氚滯留等優異性能，但是存在韌脆轉變溫度較高、再結晶溫度較低和輻照脆化等問題。利用晶粒細化、第二相粒子(碳化物、氧化物)摻雜等方法，使鎢材料的晶粒細化和納米化，是最具前景的提高鎢材料塑韌性和抗輻照性能的方法。納米晶鎢材料中納米晶粒、大量的大角度晶界、以及納米第二相不僅能夠強烈阻礙位錯運動，顯著提高材料的強度和韌性，降低韌脆性轉變溫度，促進局部絕熱剪切帶的形成，而且能夠捕獲輻照產生的缺陷，提高抗熱流/粒子流輻照性能。納米晶鎢材料作為一種重要的高溫結構材料，在核聚變實驗裝置中的面向等離子體材料、國防工業及航空航天等領域都有很重要應用前景。

粉末冶金工藝是制備超細/納米晶鎢材料的主要方法之一。由于鎢的熔點高，自擴散系數低，燒結極其困難，通常需要采用高溫高壓燒結或其它外場(等離子體等)的輔助來進行致密化，限制了樣品尺寸，并且高的燒結溫度會導致晶粒長大。鎢材料的強化燒結一直是鎢材料的重要研究方向。傳統強化燒結方法主要有固相活化燒結和液相燒結兩種。固相活化燒結時添加少量Ni、Fe、Pd等過渡元素，這些元素在鎢顆粒表面偏析并形成幾納米厚的無序晶間薄膜，燒結過程中晶界預熔并形成鎢原子快速擴散層，但是晶間薄膜和較大的晶粒尺寸(3-50μm)會嚴重降低高溫力學性能。液相燒結時鎢顆粒的溶解-析出會導致晶粒快速粗化(<100μm)。可見，上述強化燒結工藝都不適合制備超細/納米晶鎢合金。Chookajorn等人提出納米相分離燒結機制，它是利用具有納米晶粒結構和過飽和固溶體特征的互不溶系鎢合金的相分離行為來促進燒結的一種方法，相分離形成的納米相優先在納米晶粒頸部及粉末顆粒表面析出，在燒結過程中形成燒結頸，充當鎢原子長程遷移的快速擴散通道，并形成晶界元素富集區阻礙晶粒長大，達到加速燒結、降低燒結溫度和穩定納米晶結構的目的。但是，該方法抑制晶粒長大主要依靠晶界合金元素富集區，它在高溫使用的過程中存在穩定性較低，隨著合金元素的擴散，晶界富集區對晶界遷移和位錯運動的釘扎作用減弱，會導致晶粒的長大和高溫力學性能下降。本發明在上述研究的基礎上，在互不溶系鎢基合金中添加納米第二相粒子，利用納米第二相更有效的抑制晶粒長大和高溫下釘扎位錯運動，從而提高鎢合金的強韌性和高溫力學性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種納米相分離燒結制備鎢材料的方法。以互不溶系鎢基合金作為基礎成分，并添加0維或1維氧化物或碳化物第二相(TiC、Y₂O₃顆粒或納米線)。互不溶系鎢基合金是指鎢與合金元素摻混時，系統的混合自由能大于0的合金體系，系統內各組元是以相分離的狀態存在，具有不均一的形態和性質。通過高能球磨制備出具有納米晶晶粒結構和過飽和固溶體特征的機械合金化粉末。然后采用無壓燒結工藝致密化，得到鎢材料。在燒結過程中納米晶粒過飽和固溶體粉末發生相分離，納米析出相優先在納米晶頸部和粉末顆粒表面析出，形成快速遷移通道，促進燒結致密化，降低燒結溫度。隨著燒結溫度的升高，納米析出相向鎢基體中擴散，留下晶界元素富集區。綜合利用晶界元素偏聚區和二次相能夠更有效的抑制晶粒長大。最后，對燒結態鎢材料進行無包套熱等靜壓，消除殘留的少量孔隙，最終得到高致密度的超細、納米晶鎢材料。制備工藝如圖1所示。

一種納米相分離燒結制備鎢材料的方法，其特征在于具體步驟為：