CN103526096B - 钨-锆-氧化钇合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钨-锆-氧化钇合金及其制备方法。合金主要由金属钨组成，其中还含有0.08～0.32wt%的锆和0.4～1.2wt%的氧化钇，氧化钇粒径为20～200nm；方法按照98.48～99.52wt%：0.08～0.32wt%：0.4～1.2wt%的比例，将金属钨粉体、金属锆粉体或二氢化锆粉体和氧化钇粉体置于保护性气氛或真空或酒精中混匀，得混合物，接着，先将混合物置于压力为200～600MPa下压制成生坯，再将其置于保护性气氛或真空中，于1500～2200℃烧结成型，或将混合物置于保护性气氛或真空中，于压力为100～200MPa、温度为1500～2000℃下热等静压烧结成型，或于压力为30～70MPa、温度为1500～2000℃下放电等离子烧结成型，制得目标产物。它在具有良好室温强度和韧性的同时，于高温下也具有较高的高温强度和韧性及再结晶温度的优异性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金及制备方法，尤其是一种钨-锆-氧化钇合金及其制备方法。
背景技术
金属钨是稀有高熔点金属，其化学性质很稳定，常温时不跟空气和水反应，不溶于盐酸、硫酸、硝酸和碱溶液。然而，纯钨的再结晶温度低，在高温下容易发生晶粒长大，并导致再结晶脆化，而且高温强度低；此外，由于钨的高硬度和高的韧脆转变温度，使得钨很难加工成型。近期，人们为了改善金属钨的性能，作了一些尝试和努力，如在M.V.AGUIRRE等发表的题为“MechanicalBehaviorofW-Y2O3andW-TiAlloysfrom25℃to1000℃”，《METALLURGICALANDMATERIALSTRANSACTIONSA》，2009，40A（“钨-氧化钇和钨-钛合金在25℃至1000℃的力学性能”，《冶金与材料学报A》2009年第40卷）的文章中公开了一种钨-氧化钇合金。它通过将氧化钇分布于金属钨的晶界处来起到弥散强化和细化钨晶粒的作用，其虽可提高合金的高温强度，但是，却使得合金的室温强度比纯钨还要低。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种在具有良好室温强度和韧性的同时，在高温下也具有较高的高温强度和韧性及再结晶温度的钨-锆-氧化钇合金。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述钨-锆-氧化钇合金的制备方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：钨-锆-氧化钇合金主要由金属钨组成，特别是，
所述合金中还含有重量百分比为0.08～0.32wt%的锆（Zr）和0.4～1.2wt%的氧化钇（Y2O3）；
所述氧化钇的粒径为20～200nm。
作为钨-锆-氧化钇合金的进一步改进：
优选地，合金的粒径为0.3～8μm；更能体现出合金的优异性能。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述钨-锆-氧化钇合金的制备方法由粉末冶金法组成，特别是主要步骤如下：
步骤1，按照重量百分比为98.48～99.52wt%：0.08～0.32wt%：0.4～1.2wt%的比例，将金属钨粉体、金属锆粉体或二氢化锆（ZrH2）粉体和氧化钇粉体置于保护性气氛或真空或酒精中混合均匀，其中，金属钨粉体的粒径≤8μm，金属锆粉体或二氢化锆粉体的粒径≤3μm，氧化钇粉体的粒径≤200nm，得到混合物；
步骤2，先将混合物置于压力为200～600MPa下压制成生坯，再将生坯置于保护性气氛或真空中，于1500～2200℃下烧结成型，
或者，将混合物置于保护性气氛或真空中，于压力为100～200MPa、温度为1500～2000℃下热等静压烧结成型，
或者，将混合物置于保护性气氛或真空中，于压力为30～70MPa、温度为1500～2000℃下放电等离子烧结成型，
制得钨-锆-氧化钇合金。
作为钨-锆-氧化钇合金的制备方法的进一步改进：
优选地，将烧结成型后的钨-锆-氧化钇合金置于保护性气氛或真空中冷却；利于确保合金的整体品质。
较好的是，保护性气氛为氢气气氛，或氮气气氛，或氩气气氛，或氦气气氛，或氖气气氛；除使保护性气体可供选择的余地较大之外，也便于制备工艺的实施。
较佳的是，真空的真空度为≤100Pa。
相对于现有技术的有益效果是：
其一，对制得的目标产物分别使用扫描电镜、透射电镜和其附带的能谱测试仪进行表征，由其结果可知，目标产物致密、无裂纹，其由钨、锆和氧化钇组成，三者的重量百分比为98.48～99.52wt%：0.08～0.32wt%：0.4～1.2wt%；其中，合金的粒径为0.3～8μm，合金中氧化钇的粒径为20～200nm。这种钨-锆-氧化钇合金，由于通过在钨中添加微量锆，吸收了钨中的非金属杂质如碳、氮、氧等，降低了这些杂质元素对钨的脆化作用，从而使钨的断裂韧性和强度得到了较大的提高；同时，利用少量纳米尺寸的氧化钇作为第二相颗粒，抑制了烧结过程中及在高温服役过程时钨晶粒的长大，获得了细晶粒的合金，从而提高了钨的高温性能。
其二，对目标产物分别使用纳米压痕仪和材料试验机进行表征，结果如下：纳米压痕仪载荷为43牛时，测定目标产物的硬度为5.9GPa，比纯钨的5.1GPa要高。使用材料试验机对目标产物和纯钨分别进行室温和高温的拉伸试验，试验时应变速率恒定为2×10-4s-1，测得目标产物的室温断裂强度为241MPa，而纯钨的室温断裂强度仅为154MPa；相同条件下目标产物在高温强度、延伸率方面均优于纯钨，而且出现韧性的温度也低于纯钨。
其三，制备方法简单、科学、高效，不仅制得了钨-锆-氧化钇合金；还使其在具有良好室温强度和韧性的同时，于高温下也具有较高的高温强度和韧性及再结晶温度的优异性能，使其可望在照明、高温部件、航空航天器件、耐高温容器及聚变反应堆中面向等离子体壁等方面得到广泛的应用；更有着方便、快捷，成本低、易于规模化工业生产的特点。
附图说明
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是对采用同一烧结成型方法获得的纯钨和目标产物分别使用扫描电镜（SEM）进行表征的结果之一。其中，图1a为纯钨的SEM图像；图1b为目标产物的SEM图像。
图2是对目标产物使用透射电镜（TEM）及其附带的能谱（EDS）测试仪进行元素面扫描的结果之一。其中，图2a为目标产物的TEM图像；图2b为目标产物的EDS谱图，表明了目标产物由钨、锆和氧化钇组成。
图3是使用材料试验机对纯钨和目标产物分别进行室温和高温的拉伸表征结果之一。其中，图3a为纯钨在600℃和700℃的拉伸曲线；图3b为目标产物的高温拉伸曲线。
具体实施方式
首先从市场购得或用常规方法制得：
粒径≤8μm的金属钨粉体；粒径≤3μm的金属锆粉体和二氢化锆粉体；粒径≤200nm的氧化钇粉体；作为保护性气体的氢气气体、氮气气体、氩气气体、氦气气体和氖气气体；酒精。
接着，
实施例1
制备的具体步骤为：
步骤1，按照重量百分比为98.48wt%：0.32wt%：1.2wt%的比例，将金属钨粉体、金属锆粉体（或二氢化锆粉体）和氧化钇粉体置于保护性气氛（或真空或酒精）中混合均匀；其中，金属钨粉体的粒径为0.8μm，金属锆粉体（或二氢化锆粉体）的粒径为3μm，氧化钇粉体的粒径为10nm，保护性气氛为氢气气氛（或真空的真空度为≤100Pa），得到混合物。
步骤2，先将混合物置于压力为200MPa下压制成生坯，再将生坯置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于1500℃下烧结成型；
或者，将混合物置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于压力为100MPa、温度为1500℃下热等静压烧结成型；
或者，将混合物置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于压力为30MPa、温度为1500℃下放电等离子烧结成型；
制得近似于图1b和图2a所示，以及如图2b和图3b中的曲线所示的钨-锆-氧化钇合金。
实施例2
制备的具体步骤为：
步骤1，按照重量百分比为98.74wt%：0.26wt%：1.0wt%的比例，将金属钨粉体、金属锆粉体（或二氢化锆粉体）和氧化钇粉体置于保护性气氛（或真空或酒精）中混合均匀；其中，金属钨粉体的粒径为3μm，金属锆粉体（或二氢化锆粉体）的粒径为2.5μm，氧化钇粉体的粒径为50nm，保护性气氛为氢气气氛（或真空的真空度为≤100Pa），得到混合物。
步骤2，先将混合物置于压力为300MPa下压制成生坯，再将生坯置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于1675℃下烧结成型；
或者，将混合物置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于压力为130MPa、温度为1625℃下热等静压烧结成型；
或者，将混合物置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于压力为40MPa、温度为1625℃下放电等离子烧结成型；
制得近似于图1b和图2a所示，以及如图2b和图3b中的曲线所示的钨-锆-氧化钇合金。
实施例3
制备的具体步骤为：
步骤1，按照重量百分比为99.00wt%：0.2wt%：0.8wt%的比例，将金属钨粉体、金属锆粉体（或二氢化锆粉体）和氧化钇粉体置于保护性气氛（或真空或酒精）中混合均匀；其中，金属钨粉体的粒径为5μm，金属锆粉体（或二氢化锆粉体）的粒径为2μm，氧化钇粉体的粒径为100nm，保护性气氛为氢气气氛（或真空的真空度为≤100Pa），得到混合物。
步骤2，先将混合物置于压力为400MPa下压制成生坯，再将生坯置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于1850℃下烧结成型；
或者，将混合物置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于压力为150MPa、温度为1750℃下热等静压烧结成型；
或者，将混合物置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于压力为50MPa、温度为1750℃下放电等离子烧结成型；
制得如图1b和图2a所示，以及如图2b和图3b中的曲线所示的钨-锆-氧化钇合金。
实施例4
制备的具体步骤为：
步骤1，按照重量百分比为99.26wt%：0.14wt%：0.6wt%的比例，将金属钨粉体、金属锆粉体（或二氢化锆粉体）和氧化钇粉体置于保护性气氛（或真空或酒精）中混合均匀；其中，金属钨粉体的粒径为7μm，金属锆粉体（或二氢化锆粉体）的粒径为1.5μm，氧化钇粉体的粒径为150nm，保护性气氛为氢气气氛（或真空的真空度为≤100Pa），得到混合物。
步骤2，先将混合物置于压力为500MPa下压制成生坯，再将生坯置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于2025℃下烧结成型；
或者，将混合物置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于压力为180MPa、温度为1875℃下热等静压烧结成型；
或者，将混合物置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于压力为60MPa、温度为1875℃下放电等离子烧结成型；
制得近似于图1b和图2a所示，以及如图2b和图3b中的曲线所示的钨-锆-氧化钇合金。
实施例5
制备的具体步骤为：
步骤1，按照重量百分比为99.52wt%：0.08wt%：0.4wt%的比例，将金属钨粉体、金属锆粉体（或二氢化锆粉体）和氧化钇粉体置于保护性气氛（或真空或酒精）中混合均匀；其中，金属钨粉体的粒径为8μm，金属锆粉体（或二氢化锆粉体）的粒径为1μm，氧化钇粉体的粒径为200nm，保护性气氛为氢气气氛（或真空的真空度为≤100Pa），得到混合物。
步骤2，先将混合物置于压力为600MPa下压制成生坯，再将生坯置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于2200℃下烧结成型；
或者，将混合物置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于压力为200MPa、温度为2000℃下热等静压烧结成型；
或者，将混合物置于氢气气氛（或真空度为≤100Pa的真空）中，于压力为70MPa、温度为2000℃下放电等离子烧结成型；
制得近似于图1b和图2a所示，以及如图2b和图3b中的曲线所示的钨-锆-氧化钇合金。
若为获得较高品质的目标产物，可再将烧结成型后的钨-锆-氧化钇合金置于保护性气氛或真空中冷却。
再分别选用作为保护性气体的氮气气体，或氩气气体，或氦气气体，或氖气气体，重复上述实施例1～5，同样制得了如或近似于图1b和图2a所示，以及如图2b和图3b中的曲线所示的钨-锆-氧化钇合金。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的钨-锆-氧化钇合金及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种钨-锆-氧化钇合金，主要由金属钨组成，其特征在于：
所述合金由重量百分比为0.08～0.32wt%的锆和0.4～1.2wt%的氧化钇以及其余为金属钨组成；
所述氧化钇的粒径为20～200nm。
2.一种权利要求1所述钨-锆-氧化钇合金的制备方法，由粉末冶金法组成，其特征在于主要步骤如下：
步骤1，按照重量百分比为98.48～99.52wt%：0.08～0.32wt%：0.4～1.2wt%的比例，将金属钨粉体、金属锆粉体或二氢化锆粉体和氧化钇粉体置于保护性气氛或真空或酒精中混合均匀，其中，金属钨粉体的粒径≤8μm，金属锆粉体或二氢化锆粉体的粒径≤3μm，氧化钇粉体的粒径≤200nm，得到混合物；
步骤2，先将混合物置于压力为200～600MPa下压制成生坯，再将生坯置于保护性气氛或真空中，于1500～2200℃下烧结成型，
或者，将混合物置于保护性气氛或真空中，于压力为100～200MPa、温度为1500～2000℃下热等静压烧结成型，
或者，将混合物置于保护性气氛或真空中，于压力为30～70MPa、温度为1500～2000℃下放电等离子烧结成型，
制得钨-锆-氧化钇合金。
3.根据权利要求2所述的钨-锆-氧化钇合金的制备方法，其特征是将烧结成型后的钨-锆-氧化钇合金置于保护性气氛或真空中冷却。
4.根据权利要求2或3所述的钨-锆-氧化钇合金的制备方法，其特征是保护性气氛为氢气气氛，或氮气气氛，或氩气气氛，或氦气气氛，或氖气气氛。
5.根据权利要求2所述的钨-锆-氧化钇合金的制备方法，其特征是真空的真空度为≤100Pa。
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