[發明專利]一種高致密度細晶粒鎢基材料的制備方法

在審

• 申請號: 201811584881.0
• 申請日: 2018-12-24
• 公開（公告）號: CN109457159A
• 公開（公告）日: 2019-03-12
• 發明（設計）人: 章林;李星宇;董巖皓;曲選輝;秦明禮;王光華;龍瑩;鄔均文
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C27/04
• 分類號: C22C27/04;C22C32/00;C22C1/05;C22C1/10
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

本發明屬于粉末冶金技術領域，涉及一種高致密度細晶粒鎢基材料的制備方法，方法為：S1.將稀土族的鹽和聚合物用液相化學法制備粉末前驅體：S2.采用高能分散進行解團聚處理得到分散均勻的摻雜鎢粉，再進行冷等靜壓成形,得到成形坯；S3.采用兩步燒結工藝制備高高致密度細晶粒鎢基材料。基于無壓燒結，強化金屬鎢燒結過程和控制鎢晶粒長大。抑制燒結后期的晶粒長大來源于兩個方面：一是利用第二相的彌散強化效果，二是低溫兩步燒結法利用晶界擴散和晶界遷移動力學的差異以控制晶粒長大。不僅可以降低金屬鎢的燒結致密化溫度，還能有效防止鎢晶粒的非均勻長大，獲得具有高密度、晶粒小、熱力學性能高的納米晶均勻結構的金屬鎢材料。

技術領域

本發明屬于粉末冶金技術領域，特別提供了一種高致密度細晶粒鎢基材料的制備方法。

金屬鎢具有高熔點、低蒸氣壓、低濺射產額、低氚滯留等優異性能，作為一種特殊的高溫結構材料，在核聚變實驗裝置中的面向等離子體材料、兵器及航空航天等領域都有很重要應用。然而，金屬鎢存在低溫脆化、再結晶脆化和輻照脆化等問題，其加工成形性能和使用壽命都受到極大限制。晶粒細化被認為是最具前景的提高金屬鎢塑韌性和抗輻照性能的有效方法。目前制備細晶粒金屬鎢通常采用納米鎢粉為原料，由于納米粉體的晶界能和表面活性能大，燒結的驅動力很大，使得晶粒的尺寸難以控制。為了抑制金屬鎢的晶粒長大，常采用兩種方法。一種是采用特殊燒結工藝，通過外力和輔助外場等工藝手段來實現抑制鎢顆粒的長大。如熱等靜壓、等離子體活化燒結、微波燒結、超高壓力下通電燒結等。這些方法難以制備形狀復雜的鎢制品。此外，納米顆粒顯著的團聚現象會導致晶粒的非均勻長大，導致金屬鎢的熱力學性能大幅度降低。可見，致密化問題和晶粒長大問題是目前納米粉燒結面臨的兩個最大問題。另一種是添加納米第二相氧化物(La₂O₃，Y₂O₃，ZrO₂)或碳化物(TiC，ZrC，HfC)，納米顆粒均勻分散到W基體中能夠限制W晶界和位錯的遷移，從而抑制晶粒長大，起到細化晶粒的效果，還可以顯著提高金屬鎢的室溫及高溫強度、高溫穩定性以及再結晶溫度。然而，一方面，納米顆粒彌散的不均勻分布和納米顆粒在晶界處的偏析對于氧化物彌散強化鎢材料總是很大的挑戰；另一方面，第二相的添加會降低金屬鎢制品的致密化速率，且在燒結后期消除殘余孔洞需要更高的驅動力而導致晶粒長大。盡管添加氧化物可以顯著減小鎢的晶粒尺寸，但仍需要新的工藝方法以達到更高的性能以滿足應用要求。

本發明提出了一種基于無壓燒結，強化金屬鎢燒結過程和控制鎢晶粒長大的新方法。抑制燒結后期的晶粒長大來源于兩個方面：一是利用第二相的彌散強化效果，二是低溫兩步燒結法利用晶界擴散和晶界遷移動力學的差異以控制晶粒長大。該方法不僅可以降低金屬鎢的燒結致密化溫度，還能有效防止鎢晶粒的非均勻長大，從而獲得具有納米晶均勻結構的金屬鎢材料。具體思路為，首先氧化物摻雜鎢粉由液相化學方法制備，然后采用高能分散處理摻雜鎢粉，接著進行冷等靜壓成形，然后采用兩步燒結工藝來制備高致密度細晶粒第二相強化鎢。兩步燒結是將壓坯快速升溫至一個較高的溫度T₁，短時間保溫后立即降溫至較低溫度T₂，然后在低溫T₂下保溫較長時間。第一步燒結溫度T₁選擇的關鍵是將金屬坯體的致密度控制在75-85％，并且具有細小、均勻的孔隙結構。第一步燒結過程中將形成孔隙大小均勻的孔隙結構，孔隙對后續晶粒的長大具有阻礙作用，同時，在第一步燒結過程中納米第二相優先在粉末顆粒頸部及表面析出的特性，將納米析出相作為快速擴散通道，降低了第一步燒結溫度。第二步燒結溫度較低，利用晶界擴散和較長時間保溫來消除坯體中的孔隙，此過程中晶界遷移受到孔洞和第二相的雙重抑制，但保持晶界擴散的活性。因此，晶粒不會發生明顯的長大，此階段雖然致密化動力學較慢，但是足以使坯體獲得高的致密度。能夠制備出接近全致密的第二相強化鎢制品，致密度大于98％，而且能夠實現金屬制品的近終成形。細晶粒有效提高了鎢的力學性能，擴大其使用范圍。是一種低成本制備高致密度細晶鎢基材料的方法。

發明內容