[發明專利]一種多元摻雜氧化物彌散強化鎢基合金及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202110227747.0
• 申請日: 2021-03-01
• 公開（公告）號: CN113106279A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 王曼;席曉麗;孫紅紅;龐寶林;聶祚仁
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C1/10;C22C27/04
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 喬鳳杰

本發明涉及難熔金屬粉末冶金制備技術領域，具體涉及一種多元摻雜氧化物彌散強化鎢基合金及其制備方法與應用。本發明所述鎢基合金，其結構中含有復雜氧化物彌散相A₂B₂O₇，A為稀土元素，B為過渡金屬元素。本發明以形成復雜氧化物彌散相A₂B₂O₇為目標，利用復雜氧化物彌散相的形成有效降低氧雜質對鎢基合金的有害影響，降低或改善其脆性問題。同時通過高能球磨實現完全機械合金化，確保所得復雜氧化物彌散相分布均勻且尺寸更小，進而協同改善鎢基合金的強度、韌性、抗輻照腫脹性和高溫穩定性，擴寬了鎢基合金的服役溫度窗口，更有利于應用于聚變堆用PFMs等極端工程領域。

技術領域

本發明屬于難熔金屬粉末冶金制備技術領域，具體涉及一種多元摻雜氧化物彌散強化鎢基合金及其制備方法與應用。

背景技術

鎢(W)具有高熔點、高密度、高硬度等優異性能，在國防軍工、航空航天和核工業等領域具有廣泛應用。

近些年，面對能源需求不斷增長和生態環境持續惡化的雙重壓力，受控熱核聚變因其燃料來源豐富且近乎無污染，被認為是未來最有希望解決人類能源需求的重要途徑。

聚變材料，特別是面向等離子體材料(Plasma Facing Materials,PFMs)的工程可行性時限是決定聚變能源能否最終實現商業化應用的關鍵因素。PFMs是包容等離子體區的部件材料，將經受高能中子(14.1MeV)和高束流低能D/T/He離子(10²⁴m²/s)的協同輻照、～10MW/m²的穩態熱負荷及～GW/m²級瞬態熱沖擊，如此極端的多場耦合服役環境對PFMs候選材料提出了巨大挑戰。而鎢因其高熔點、高熱導率、低濺射產額的優異特性，被選為PFMs重要候選材料。

然而，鎢的BCC晶體結構使其具有本征脆性。此外，鎢對晶界雜質非常敏感，氧氮等雜質幾乎不固溶于鎢，而是在晶界處偏聚，這將導致晶界間結合力變弱，使純鎢的韌脆轉變溫度高達400～800℃且再結晶溫度約為1200℃。因此，鎢的低溫脆性和再結晶脆性嚴重限制了其服役溫度窗口。

添加簡單氧化物或碳化物的彌散強化有望擴寬鎢的服役溫度窗口。但是，制備過程中簡單氧化物或碳化物易在晶界處形成大尺寸顆粒，導致強化效果差且無法有效改善晶界雜質造成的脆性，嚴重限制了其工程實際應用。

現有文獻CN101880808A研究表明，添加氧化釔或金屬釔和金屬鈦、鉬的復相摻雜可抑制晶粒長大，從而獲得超細晶鎢基復合材料，其具有較好的力學性能和抗熱沖擊性。正如該文獻【0016】段所強調的，機械合金化后的粉末非常容易吸收環境中的氧，進而嚴重影響鎢基合金的性能，因此該文獻在氬氣氣氛保護下完成粉末的裝填和機械合金化，在放電等離子體燒結的過程中采用真空燒結或氬氣氣氛保護燒結。然而，在實際制備過程中，燒結前等取粉等一些操作工序是無法采用氣氛保護的，很難保證粉末不吸收環境中的氧雜質。因此，該方法所得鎢基合金雖具有較好的致密性，較高的硬度和抗彎強度，但抗壓強度較低，由此造成的脆性問題仍未得到更好的解決。

發明內容

本發明的第一目的是提供一種多元摻雜氧化物彌散強化鎢基合金。所述鎢基合金兼具更高的強韌性和高溫穩定性，可擴展其在極端服役環境中的應用。

本發明所述鎢基合金，其結構中含有復雜氧化物彌散相A₂B₂O₇，A為稀土元素，B為過渡金屬元素。