[發(fā)明專利]表面多尺度結(jié)構鎢材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109396965B
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發(fā)明（設計）人: 蔣燕
• 申請（專利權）人: 攀枝花學院
• 主分類號: B24B1/00
• 分類號: B24B1/00;C22C27/04
• 代理公司: 成都希盛知識產(chǎn)權代理有限公司 51226
• 代理人: 廖文麗;武森濤

本發(fā)明涉及一種表面多尺度結(jié)構鎢材料及其該材料的制備方法，屬于金屬表面處理技術領域。本發(fā)明的表面多尺度結(jié)構鎢材料的表面組織到基體組織之間設置有梯度層，所述梯度層的晶粒尺寸呈梯度變化，從所述表面組織至基體組織的梯度層依次為納米層、亞微米層、微米層，所述納米層、亞微米層、微米層的晶粒尺寸分別為納米級、亞微米級和微米級。本發(fā)明的表面多尺度層鎢材料，各尺度層之間結(jié)合良好，未有明顯界面，未發(fā)生微裂紋、剝層等現(xiàn)象。本發(fā)明簡單，快速，且適用于大塊樣品制備。

技術領域

本發(fā)明涉及一種表面多尺度結(jié)構鎢材料及其該材料的制備方法，屬于金屬表面處理技術領域。

背景技術

聚變反應堆面向等離子體部件的服役環(huán)境極為苛刻，要求其中的材料能夠長時間抵抗高熱負荷和強輻照導致的損傷效應，以保證聚變堆的長期穩(wěn)定工作。鎢是熔點最高的金屬材料，且具有高熱導率、低濺射率，被認為是最有潛力的能夠應用于面向等離子體部件的材料之一。但鎢最大的不足是具有明顯的室溫脆性(即使是軋制態(tài)商業(yè)級鎢，韌脆轉(zhuǎn)變溫度DBTT在200℃-300℃之間)、輻照脆化、熱負荷開裂等缺陷，極大地限制了其作為第一壁材料的實際應用。

為了改善鎢存在的上述不足，學者們開展了以鎢合金化、鎢/鎢合金塑性變形加工和鎢表面納米化處理為主的途徑來提高鎢韌性。這些方法的原理都是誘導鎢的晶粒細化強化。合金化一般與塑性變形結(jié)合使用，主要通過添加第二相納米顆粒如氧化物碳化物等彌散鎢基體制備細晶鎢合金，并結(jié)合后續(xù)軋制處理，達到合金致密化、細化和強化的效果。劉瑞、謝卓明等在專利CN104388789B中公開的“一種納米結(jié)構鎢-碳化鋯合金及其制備方法”以及謝卓明等在論文“Extraordinary high ductility/strength of the interfacedesigned bulk W-ZrC alloy plate at relatively low temperature”，《ScientificReports》5(2015)16014中報道了添加納米碳化鋯使鎢基體晶粒得到充分的細化，獲得大量晶界/相界，從而使合金具有較優(yōu)異的強韌性和抗熱沖擊性。但不足之處是犧牲了純鎢的熱導率，W-ZrC合金中的相界增加力學性能的同時也增強了對電子的散射作用，其熱導率相比純鎢明顯下降。劉瑞等將上述成分進行了改良，在專利CN108149103A中公開了“一種鉀碳化鋯共摻雜鎢合金及其制備方法”，通過納米鉀泡和碳化鋯的共同作用進一步提高了鎢的力學性能，并未表征熱導率。但可以推測鉀泡與陶瓷納米顆粒共同存在將使合金熱導率進一步下降。

高的熱導率才有利于及時移出沉積在第一壁上的熱量，能在提高力學性能的同時也不損失鎢自身高的熱導率具有重要的意義。在大多數(shù)服役環(huán)境下，材料失穩(wěn)多始于表面，為此，純鎢表面自納米化研究受到了研究者們的關注，因其具有如下優(yōu)勢：1)表面納米鎢晶粒可以降低面向等離子體面鎢的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，提高抗熱沖擊和抗輻照性能；2)表面自納米化可以減小塊狀鎢加工的難度；3)鎢表面自納米化保留了鎢的高熱導率。雖然材料表面自納米化的方法較多，例如表面機械處理法和非平衡熱力學法，但針對鎢金屬表面自納米化還處于研究和嘗試中，因為鎢是熔點最高的金屬且具有大的脆性。郭洪燕發(fā)表的“Nanostructured laminar tungsten alloy with improved ductility by surfacemechanical attrition treatment”，《Scientific Reports》7(2017)1351文章中，報道了采用表面機械處理法中的機械研磨技術，通過高頻高速彈丸持續(xù)撞擊鎢表面，形成了表面納米晶而晶粒尺寸沿厚度方向梯度變化的納微多尺度結(jié)構。值得提出的是，從聚焦離子束切割的多尺度結(jié)構截面來看，梯度結(jié)構層中出現(xiàn)多個分層界面，完整性不足。分層與高能碰撞作用有關，鎢為體心立方金屬且具有較大脆性，無法在表面高速彈丸的強碰撞作用下通過快速塑性變形而達到緩釋應力效果，鎢中應力難以傳遞致內(nèi)部形成裂紋。此方法主要適合于銅、鐵、鎳、鈦等塑性較好的金屬及合金材料，對鎢材料處理還存在較多不足。

因此，為了滿足面向等離子體第一壁材料的要求，還需發(fā)展具有高質(zhì)量的表面多尺度層鎢材料及表面處理技術。

發(fā)明內(nèi)容