[發明專利]一種具有良好自鈍化行為的高致密納米W合金及其制備方法

在審

• 申請號: 202010156271.1
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111334695A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 譚曉月;吳玉程;王武杰;陳昱溟;羅來馬;朱曉勇
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C22C27/04
• 分類號: C22C27/04;C22C1/04
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 喬恒婷

本發明公開了一種具有良好自鈍化行為的高致密納米W合金及其制備方法，其中納米W合金的組分按質量百分比包括：基本組元W，鈍化元素Cr，以及活化元素Y和Zr；其中10wt.％≤Cr≤13wt.％，0wt.％＜活化元素總量≤2wt.％，余量為W。本發明通過控制燒結時的燒結溫度、壓力、加熱速率和保溫時間等工藝參數，以獲得高致密、納米W合金。在燒結溫度為1150℃、外加載荷為90MPa的條件下，獲得相對密度高于98.5％，晶粒尺寸小于100nm的W合金。本發明納米W?合金表現出良好的自鈍化行為，在1000℃、空氣氣氛下，熱震氧化165h后，其氧化增重僅為7.8mg/cm²。

技術領域

本發明屬于極端條件下(高溫、氧化)應用的高溫合金領域，具體涉及一種具有良好自鈍化行為的高致密納米W合金及其制備方法。

背景技術

鎢(W)具有高熔點、高熱導率、優異的抗粒子濺射性能以及良好的高溫力學性能等決定性的優勢，在核能、電子器件、軍事、航空航天等工程領域具有廣泛的應用前景，特別是極端高溫條件下的應用。然而，在極端高溫下，W非常容易氧化，必然影響其在高溫下的應用。比如：核聚變第一壁用W材料高溫氧化時，具有放射性核素的W氧化、揮發，從而存在核放射性泄露的風險。因此，為了滿足W在極端高溫條件下的應用，開發出一種具有良好抗氧化性能的W合金材料非常有必要。自鈍化鎢合金(SPTA)通過添加的合金化元素可在其表面形成一層致密、保護性的氧化層，避免W進一步氧化而表現出自鈍化行為。

研究表明，SPTA的密度越高、晶粒越細、組織越均勻，其抗氧化性能也就越好。對于高熔點W材料來說，一般采用粉末冶金技術制備W合金塊體，包括W合金粉體制備和后續粉體致密化。采用機械合金化技術制備均質的W合金粉體，有利于獲得組織均勻的SPTA塊體。目前，一般采用有壓燒結對W合金粉體進行致密化，以獲得高致密、晶粒細小的SPTA，例如熱壓、熱等靜壓等。然而，低溫長時間的有壓燒結，一方面不利于SPTA組織均質化；另一方面高溫長時間燒結必然導致晶粒的長大。因此，實現均質粉體在低溫下快速致密化，有望獲得均質、細晶的SPTA塊體。

場輔助燒結技術(FAST)利用脈沖直流電流的電流場和軸向外加載荷的應力場對燒結粉體進行致密化，是實現難熔金屬材料在低溫快速致密化的有效方式之一。在FAST致密化過程中，升溫速率(≥100℃/min)時，可以有效地避免SPTA塊體晶粒的長大，且有利于其組織均勻化。另外，施加于粉體上的外加載荷，在低溫時可以促進粉體的位移和重排；在高溫下可以促進物質擴散和塑性流動，均有利于粉體的致密化。納米SPTA中擁有大量的晶界，可在高溫氧化時為Cr陽離子提供快速擴散的通道，這有利于表面致密、保護性的氧化層形成，使W合金表現出更好的自鈍化行為。因此，本發明主要通過調控FAST燒結過程中的燒結溫度、外加載荷和保溫時間，以制備出高致密、良好自鈍化行為的納米W合金。

發明內容

本發明旨在提供一種具有良好自鈍化行為的高致密納米W合金及其制備方法，結合機械合金化和場輔助燒結技術(FAST)對獲得的均質W合金粉體進行致密化。通過控制FAST工藝參數(比如：降低燒結溫度、縮短保溫時間、增大外加載荷和提高升溫速率等)，解決W合金晶粒在致密化過程中容易長大的問題，以獲得高致密、具有良好自鈍化行為的納米W合金。

本發明具有良好自鈍化行為的高致密納米W合金，其組分按質量百分比包括：

基本組元W，鈍化元素Cr，以及活化元素Y和Zr。

其中10wt.％≤Cr≤13wt.％，0wt.％＜活化元素總量≤2wt.％，余量為W。

進一步地，活化元素中Y和Zr的質量比為3：2。

根據W合金中元素種類數量，將W-Cr-Y-Zr合金命名為ZW4(“Z”和“W”分別表示“自鈍化”和“鎢合金”；4表示W合金中元素的種類數)。

本發明納米W合金的相對密度≥98.5％，晶粒尺寸≤100nm。