CN104388789B

CN104388789B - 一种纳米结构钨‑碳化锆合金及其制备方法

Info

Publication number: CN104388789B
Application number: CN201410553021.6A
Authority: CN
Inventors: 刘瑞; 谢卓明; 方前锋; 张涛; 王先平; 郝汀
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2034-10-17
Also published as: CN104388789A

Abstract

本发明公开了一种纳米结构钨‑碳化锆合金，合金中各组分的重量百分比为：金属钨 98～99.8%，粒径为5‑300nm的碳化锆 0.2～2.0%，碳化锆颗粒大多均匀分布在钨晶粒内部。本发明还公开了该一种合金的制造方法。本发明制备的合金的力学性能和高温稳定性能好，碳化锆纳米颗粒可均匀分布到钨晶粒的内部，避免了粗大颗粒在钨晶粒处产生的应力集中和脆化，既能够通过钉扎位错、提高强度和高温性能，同时又保证了韧性。

Description

一种纳米结构钨-碳化锆合金及其制备方法

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种纳米结构钨-碳化锆合金，本发明还涉及该合金的制造方法。

背景技术

金属钨由于其高的熔点（约3410℃）、高的高温力学性能，广泛用于高温部件、照明、国防等领域，此外还具有热膨胀系数低、抗溅射等优点，是最有希望的聚变堆候选壁材料。然而，钨存在低温脆性和再结晶脆性等缺点，导致其容易发生脆断且难以加工成型，影响了其应用范围。此外，纯钨的强度会随温度的升高而明晰降低，而且纯钨在高温下还会发生再结晶而脆化。

人们为了改善金属钨的强度和韧性，作了一些尝试和努力，如在钨中添加高熔点第二相颗粒，如碳化钛、碳化锆、氧化镧、氧化钇等，能够起到弥散强化和细化钨晶粒的作用，可以提高钨的高温强度和再结晶温度，但是却使钨的韧性降低。其主要原因是，这些颗粒的尺寸大，而且大多分布在晶界处，会导致应力集中，容易成为裂纹的起始点，从而影响韧性。

Yujin Wang发表的题为“Influence of ZrC content on the elevatedtemperature tensile properties of ZrC_p/W composites”，《Materials Science andEngineering A》528（2011）1805-1811（“ZrC含量对ZrC颗粒/钨复合材料高温拉伸性能的影响”，《材料科学与工程A》，2011年第525卷，1805-1811页）上报道的ZrC颗粒增强的钨材料中，ZrC的粒径为微米级别，ZrC的添加量为20~50%体积分数，有利于降低热导率和高温抗烧蚀性能，但是其韧性很低。

又如周玉等在专利CN99120173中公开了一种碳化锆颗粒增强钨复合材料的制备方法，碳化物颗粒的体积分数为10%~50%，可以改善钨的高温强度、抗氧化和耐烧蚀能力，同时具有低的热导率，但碳化物颗粒含量高且尺寸大，导致韧性降低。不适合要求材料有良好韧性、高温强度和高热导率的应用领域。

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，提供一种高强高韧且高温稳定的纳米结构钨-碳化锆合金。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述纳米结构钨-碳化锆合金的制备方法。

一种纳米结构钨-碳化锆合金，合金中各组分的重量百分比为：

金属钨 98～99.8%

碳化锆 0.2～2.0%，

所述碳化锆颗粒粒径为5-300nm,所述碳化锆颗粒大多均匀分布在钨晶粒内部。

进一步地，当上述碳化锆的粒径5nm~100nm时，更能体现出合金的优异物理性能。

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：上述纳米结构钨-碳化锆合金的制备方法由粉末冶金法组成，包括如下步骤：

1）、混合步骤，包括湿法混合和干法混合：

按照重量百分比为98.0～99.8%：0.2～2.0%的比例，将金属钨粉体和碳化锆粉体混合均匀，得到混合物；其中，金属钨粉体的粒径≤5μm，纯度最好在99.5%以上；碳化锆粉体的粒径≤300nm，纯度最好在98%以上；其中粉体混合可以采用球磨机、混料机或者研磨，粉体的混合最好在氩气、氮气、≤10Pa的真空或者于酒精介质中湿法进行；

2）、直接热压烧结成型步骤：

于温度1600～2300℃下热压烧结成型；

3）、加工步骤：

将步骤2）烧结成型后的钨块体在800～1600℃热塑性变形加工，制得纳米结构钨-碳化锆合金。

进一步地，上述步骤2）的烧结成型为在压力100～200Mpa、温度1600～2300℃下热等静压烧结成型。

或者，上述步骤2）的烧结成型为在压力20～70MPa、温度1600～2300℃下放电等离子烧结成型。

另外，上述步骤2）为也可为先冷压后再烧结成型，具体如下：

将步骤1）的混合物粉体在压力为300～600MPa下冷压制成生坯；

再将冷压制成的生坯置于保护性气氛或真空度为≤10Pa的真空中，于1600～2300℃下烧结成型。

上述保护性气氛为氢气气氛，或氮气气氛，或氩气气氛；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。

上述真空的真空度为≤10Pa。

上述热塑性变形加工为热轧、旋锻、锻造或拉拔，可有利于进一步提高材料的性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明钨-碳化锆合金的力学性能和高温稳定性能好，碳化锆纳米颗粒可均匀分布到钨晶粒的内部，避免了粗大颗粒在钨晶粒处产生的应力集中和脆化，既能够通过钉扎位错、提高强度和高温性能，同时又保证了韧性。本发明的制备方法简单、科学、高效，不仅制得了纳米结构的钨-碳化锆合金，还使合金的韧脆转变温度大幅降低，同时也具有较高的高温强度和韧性及高温稳定性的优异性能，可望在高温部件、航空航天器件、耐高温容器及聚变反应堆壁材料等方面得到应用。

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为本发明纳米结构钨-碳化锆合金的透射电镜（TEM）图；

图2为本发明纳米结构钨-碳化锆合金的拉伸性能曲线。

具体实施方式

首先从市场购得或用常规方法制得：

粒径≤5μm的金属钨粉体；粒径≤300nm的碳化锆粉体；

作为保护性气体的氢气气体、氮气气体、氩气气体。

实施例1

制备的具体步骤为：

步骤1，按照重量百分比为99.8wt%：0.2wt%的比例，将金属钨粉体和碳化锆粉体置于氩气气氛中球磨混合均匀，得到混合物；其中，金属钨粉体的粒径为0.2μm，碳化锆粉体的粒径为10nm。

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≤10Pa的真空）中，于1500℃下烧结成型。

步骤2也可釆取直接热压成型工艺，具体如下：

将混合物置于氢气气氛（或真空度为≤10Pa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≤10Pa的真空）中，于压力为30MPa、温度为1500℃下放电等离子烧结成型。

对本实施例制得的产物进行透射电镜，如图1所示，表明碳化锆颗粒的平均粒径约100nm，且大多分布在钨晶粒内部，目标产物致密、无裂纹。

对本实施例制得的产物进行力学性能和高温稳定性测试，结果如下：

使用材料试验机进行不同温度的拉伸试验，如图2所示，试验时应变速率恒定为2×10^-4s^-1，测得目标产物在200℃的拉伸强度为710MPa，延伸率约为4%，说明该材料在200℃已经具有塑性，相对工业纯钨有较大提升；在500℃的拉伸强度为550MPa，延伸率达到28%。

高温稳定性测试：目标产物在1700℃保温1小时仍能够保持结构稳定，碳化锆颗粒不长大；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。

实施例2

制备的具体步骤为：

步骤1，按照重量百分比为98.5wt%：1.5wt%的比例，将金属钨粉体和碳化锆粉体在酒精中球磨混合均匀；其中，金属钨粉体的粒径为0.6μm，碳化锆粉体的粒径为50nm，在氩气气氛中球磨混合，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中，于1675℃下烧结成型；

步骤2也可釆取直接热压成型工艺，具体如下：

将混合物置于氢气气氛或真空气氛中，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气氛中，于压力为40MPa、温度为1825℃下放电等离子烧结成型。

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%：1.0wt%的比例，将金属钨粉体和碳化锆粉在氮气气氛中用混料机混合均匀，得到混合物；其中，金属钨粉体的粒径为1μm，碳化锆粉体的粒径为100nm。

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中，于2300℃下烧结成型；

步骤2也可釆取直接热压成型工艺，具体如下：

将混合物置于氩气气氛中，于压力为150MPa、温度为2000℃下热等静压烧结成型；

或者，将混合物置于氩气气氛或真空中，于压力为50MPa、温度为1750℃下放电等离子烧结成型。

实施例4

制备的具体步骤为：

步骤1，按照重量百分比为99.5wt%：0.5wt%的比例，将金属钨粉体和碳化锆粉在空气中研磨混合均匀；其中，金属钨粉体的粒径为3μm，碳化锆粉体的粒径为300nm。

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中，于2025℃下烧结成型；

步骤2也可釆取直接热压成型工艺，具体如下：

将混合物置于氩气气氛中，于压力为180MPa、温度为1875℃下热等静压烧结成型；

或者，将混合物置于氩气气氛（或真空度为≤10Pa的真空）中，于压力为60MPa、温度为1875℃下热压烧结成型。

实施例5

制备的具体步骤为：

步骤1，按照重量百分比为99.5wt%：0.5wt%的比例，将金属钨粉体和碳化锆粉在酒精中混合均匀，得到混合物；其中，金属钨粉体的粒径为1μm，碳化锆粉体的粒径为100nm。

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气氛中，于2200℃下烧结成型；

步骤2也可釆取直接热压成型工艺，具体如下：

将混合物置于氩气气氛或真空气氛中，于压力为200MPa、温度为2000℃下热等静压烧结成型；

或者，将混合物置于氢气或真空气氛中，于压力为70MPa、温度为2000℃下热压烧结成型。

再分别选用作为保护性气体的氮气气体，或氩气气体，重复上述实施例1～5，同样制得制得近似于图1所示的钨-碳化锆合金。

若为获得较高品质的目标产物，可再将烧结成型后的钨-碳化锆合金进行高温热塑性变形，如热轧、旋锻、锻造、挤压或拉拔等。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种纳米结构钨-碳化锆合金，其特征在于：所述合金中各组分的重量百分比为：

金属钨99.5～99.8%

碳化锆0.2～0.5%，

所述碳化锆颗粒粒径为5-100nm，

所述碳化锆颗粒大多均匀分布在钨晶粒内部。

2.一种纳米结构钨-碳化锆合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）混合

将粒径为0.2-5μm的金属钨粉体和粒径为5-100nm的碳化锆粉体按照重量百分比分别为99.5～99.8%和0.2～0.5%的比例称取，置于氩气、氮气、酒精中或≤10Pa的真空中混合均匀；

2）热压烧结成型

在温度1600～2300℃下热压烧结成型；

3）加工

3.根据权利要求2所述的一种纳米结构钨-碳化锆合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2）的烧结成型为在压力100～200MPa 、温度1600～2300℃下热等静压烧结成型。

4.根据权利要求2所述的一种纳米结构钨-碳化锆合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2）的烧结成型为在压力20～70MPa、温度1600～2300℃下放电等离子烧结成型。

5.根据权利要求2所述的一种纳米结构钨-碳化锆合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2）为先冷压后再烧结成型：

将步骤1）的混合物粉体在压力为300～600MPa下冷压制成生坯；

6.根据权利要求2所述的一种纳米结构钨-碳化锆合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3 ）的热塑性变形加工为热轧、旋锻、锻造、挤压或拉拔。