[發明專利]一種低合金元素強化高溫抗氧化性能的自鈍化鎢合金及其制備方法

在審

• 申請號: 202010156402.6
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111139388A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 譚曉月;吳玉程;王武杰;吳眉;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;B22F9/04
• 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

本發明公開了一種低合金元素強化高溫抗氧化性能的自鈍化鎢合金(SPTA)及其制備方法，是采用機械合金化技術將低合金元素均勻的分散在W?Cr基體中，然后采用FAST對粉體進行致密化，控制燒結過程中的工藝參數，獲得不同成分的高致密、細晶、少量偏析/均質結構的SPTA塊體。經過熱震氧化實驗發現，低合金元素的引入可以明顯強化SPTA的高溫抗氧化性能。

技術領域

本發明屬于極端條件(高溫、氧化)下應用的難熔鎢(W)合金領域，具體涉及一種低合金元素強化高溫抗氧化性能的自鈍化鎢合金及其制備方法，是通過加入低合金元素優化W合金成分，然后通過場輔助燒結技術(FAST)制備出高致密、細晶、少量偏析/均質結構的自鈍化鎢合金，以期其具有良好的高溫抗氧化性能。

背景技術

鎢(W)具有高熔點(～3410℃)、高熱導率、低的熱膨脹系數、良好的高溫力學性能等優點，在極端環境下具有廣泛的應用前景。然而，在高溫氧化氣氛下，W非常容易氧化，從而影響其在高溫下的應用。比如：未來核聚變裝置用第一壁W材料經受中子輻照后，具有一定的放射性；如果發生氧化、揮發，則存在核放射性泄漏的風險。因此，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優先在其表面形成一層致密的保護性氧化皮，避免W氧化從而確保其繼續使用。

目前，主要通過優化成分、調控微觀組織結構，以獲得抗氧化性能更好的SPTA。例如，在對W-Cr-Zr薄膜合金進行成分優化時發現，當Cr含量足夠的情況下，W合金存在最優的Zr/Cr比值(5～10％)。一般來說，SPTA中Cr元素的含量約為10～14wt.％，其固溶溫度應高于1400℃。在微觀組織調控方面，采用低溫、高壓燒結技術可以制備出納米W合金，相應的燒結溫度低于1200℃。然而，W合金在低于固溶溫度下燒結時，必然導致Cr元素偏析，從而不利于改善其高溫抗氧化性能。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燒結，可以實現難熔金屬材料在低溫下快速致密化。因此，本發明通過加入低合金元素對SPTA進行成分優化，然后通過FAST進行致密化，以制備出高致密、細晶、少量偏析/均質結構的SPTA，以期其具有良好的高溫抗氧化性能。

發明內容

本發明旨在提供一種低合金元素強化高溫抗氧化性能的自鈍化鎢合金(SPTA)及其制備方法，采用場輔助燒結技術(FAST)對添加合金化元素(Ti、Si)的W基粉體材料進行致密化，獲得具有良好的高溫抗氧化性能的SPTA。

本發明低合金元素強化高溫抗氧化性能的自鈍化鎢合金SPTA，其組分構成如下：

10wt.％≤鈍化元素≤13wt.％，0wt.％＜活化元素≤1wt.％，0wt.％＜低合金元素≤0.5wt.％，余量為W。

所述鈍化元素為Cr；所述活化元素為Y和Zr；所述低合金元素為Ti和/或Si，優選為Ti和Si。

需要特別指出的是，上述比例中的低合金元素的含量限定是分別針對Ti和Si的，而并非是低合金元素的總含量。也就是說，本發明自鈍化鎢合金SPTA中，0wt.％＜Ti≤0.5wt.％，0wt.％＜Si≤0.5wt.％。無論低合金元素是單獨的Ti或Si，或是Ti和Si，均符合上述的配比要求。

根據W合金中元素種類數量，將W合金按照以下方案命名：

W-Cr-Y-Zr-Ti合金命名為ZW5(“Z”和“W”分別表示“自鈍化”和“鎢合金”；5表示W合金中元素的種類數)。

W-Cr-Y-Zr-Ti-Si合金命名為ZW6(“Z”和“W”分別表示“自鈍化”和“鎢合金”；6表示W基體中元素的種類數)。

本發明低合金元素強化高溫抗氧化性能的SPTA，具有高致密、細晶、少量偏析/均質結構的特點，其相對密度大于98％，晶粒尺寸約為200nm。