[發明專利]一種抗高熱負荷沖擊高強韌細晶W基復合材料及制備方法

有效

• 申請號: 202210191704.6
• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114540691B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 呂永齊;趙斯琪;范景蓮;張紫薇;韓勇;劉濤;田家敏
• 申請（專利權）人: 中南大學;長沙微納坤宸新材料有限公司
• 主分類號: C22C27/04
• 分類號: C22C27/04;C22C32/00;C22C1/05
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 叢詩洋

本發明提供了一種抗高熱負荷沖擊高強韌細晶W基復合材料及制備方法；所述復合材料是由復合增強相：納米級超高溫陶瓷碳化物(TiC或ZrC)與Ti、Zr合金化元素和難熔金屬W基體組成的；合金化元素分布于W基體的表面，并在納米超高溫碳化物顆粒處形成富集區，有效改善了超高溫碳化物陶瓷相和W基體相界面結構，阻礙W晶界遷移和部分形成半共格，實現細晶和界面強韌化；經溶膠噴霧干燥?還原?高能活化處理和低溫強化燒結制備而成；復合材料晶粒尺寸1～2μm，室溫抗拉強度達到450～600MPa，延伸率為5％?8％，在高達700MW/m²的瞬態電子束高熱負荷沖擊下表面無裂紋損傷形成，顯著提升了W復合材料抗高熱負荷沖擊性能。

技術領域

本發明涉及核聚變面對等離子體材料領域，特別涉及一種抗高熱負荷沖擊高強韌細晶W基復合材料及制備方法。

背景技術

難熔金屬W及其合金材料具有高熔點、高導熱、高溫高強度等一系列突出性能優勢而廣泛應用于航空、航天、國防軍工等尖端技術領域。同時，由于其低濺射率和不與H同位素反應等，成為熱核聚變反應堆最理想的面對等離子體材料(PFMs)。然而，現有鎢材料仍然存在一些不足，如：低溫脆化，高韌脆轉變溫度(DBTT)，低再結晶溫度(RCT)，極大地限制了W材料的應用。

前期，大量的研究表明通過添加碳化物第二相可以有效強化W材料，如日本東北大學的Kurishita等針對碳化鈦強化鎢做了系統而深入地研究，采用MA(機械合金化)+HIP(熱等靜壓)，制備出晶粒尺寸1μm左右的W-(0～1.5)wt.％TiC復合材料，抗彎強度超過1.6GPa，顯著地改善了材料的DBTT和再結晶溫度，在6MW/m²的電子束熱流沖擊下，表面無開裂損傷。章曼等的專利“一種碳化鈦強化細晶鎢材料的制備方法”提出球磨改性-溶膠非均相沉淀制備納米TiC增強鎢材料，有效細化晶粒，強度達到450MPa。盡管如此，由于碳化物與難熔金屬W的鍵結構差異極大，相容性差，添加的納米碳化物第二相易偏聚，在外加載荷作用下易形成裂紋源，從而降低W材料的強韌性。更為重要地是，作為聚變堆面對等離子體材料PFMs，將面臨極端苛刻的熱服役環境，包括高溫(1300K)、高能量密度(20MW/m²)穩態熱負載以及高達～GW/m²級的邊緣局域模(ELMs)和垂直位移事件(VDEs)的瞬態高熱負荷沖擊，將嚴重影響聚變堆的安全穩定運行。同時，未來中國聚變工程試驗堆(CFETR)的PFM將面臨更高的熱負荷沖擊服役環境，從而，現有W材料無法滿足上述苛刻要求，成為制約核聚變研制突出的瓶頸。有研究表明W材料的抗高熱負荷性能與材料本身強度和韌性密切相關，因此，亟需開發一種新型高強韌W材料。

發明內容

為了解決現有技術中上述問題，本發明提供了一種抗高熱負荷沖擊高強韌細晶W基復合材料及制備方法。

為了達到上述目的，本發明的實施例提供了一種抗高熱負荷沖擊高強韌細晶W基復合材料，所述復合材料由復合增強相組成，所述復合增強相按如下質量百分比構成：0.1～1％納米級超高溫陶瓷碳化物、0.1～1％微合金化元素以及余下的難熔金屬W基體。

進一步的，所述納米級超高溫陶瓷碳化物為TiC或ZrC，彌散均勻分布于難熔金屬W基體的晶界和晶內，微合金化元素為Ti或Zr，分布于難熔金屬W基體的表面并在納米級超高溫碳化物顆粒處形成富集區。

進一步的，所述復合材料晶粒尺寸1～2μm，室溫抗拉強度450～600Mpa，延伸率為5％-8％。

進一步的，所述復合材料在700MW/m²瞬態電子束高熱負荷沖擊考核條件下表面完好、無表面、縱向裂紋損傷形成。

基于一個發明總的構思，本發明還提供了一種上述抗高熱負荷沖擊高強韌細晶W基復合材料的制備方法，包括如下步驟：