CN105803285A - 一种超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料及其制备方法，其中超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料是由W和稀土氧化物Sc2O3组成，复合材料中Sc2O3的体积百分比为0.5‑2％，余量为W。本发明首先采用机械合金化球磨细化WO3/Sc2O3前驱体粉末，还原后得到W/Sc2O3复合粉体，利用放电等离子烧结试样组织细小的优势，得到晶粒细小的W/Sc2O3复合材料。本发明所制备的W/Sc2O3复合材料烧结样相对密度达96.0％以上，显微硬度达683.2Hv，W晶粒最小尺寸由原先的20μm降至9μm。

Description

一种超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料及其制备方法
一、技术领域
本发明涉及一种W基复合材料及其制备方法，具体地说是一种超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料及其制备方法。
二、背景技术
受控热核聚变能是人类的终极理想清洁能源，几乎不会带来放射性污染等环境问题，其燃料氘大量存在于海水之中,取之不尽用之不竭，被认为是可有效解决人类未来能源需求的主要途径。其原理是利用D和T在发生核聚变反应时产生He和中子，并释放大量的能量。经过国际间的不懈努力，其科学可行性已在磁约束聚变装置托卡马克(Tokamak)上得到证实。这种聚变能只有在长时间高温和高的等离子体(D和T)密度的条件下产生。要实现对这种能源的使用，对材料提出很高的要求。面向等离子体材料(PFMs，PlasmaFacingMaterials)，是指在磁约束可控热核聚变反应装置中直接面对等离子体的第一壁(FW，FirstWall)和偏滤器(divertor)、限制器(limiter)的装甲材料。目前世界上已有的材料中还没有任何一种能胜任第一壁的工作要求。
钨以其高熔点，高导热，高温强度，低溅射，不与氢发生化学反应及氢滞留极低等特性被视为是最有前景的面向等离子体候选材料之一。然而在恶劣的工作环境下，钨作为面对等离子体材料(PFM)存在一些列的脆性问题，包括低的韧脆转变温度(DBTT)的室温脆性、低的再结晶温度(RCT)的再结晶脆性、辐照引起的辐照脆性，限制了其在聚变堆中的应用。为了解决这类问题，一般在钨基材料中添加第二相颗粒用以阻碍晶界滑移稳定微观组织，阻碍再结晶和晶粒长大，从而提高材料高温性能和抗蠕变强度。目前有添加一些韧性相(如Ti、Ta和V等)改变材料的成分来改善室温脆性；也有用机械球磨和湿化学法的方法添加第二相碳化物(TiC、TaC和HfC等)和氧化物(La2O3、Y2O3和CeO2等)改变材料的组织结构来改善材料的高温脆性和辐照脆性。
三、发明内容
本发明旨在提供一种超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料及其制备方法，通过Sc2O3掺杂W基复合材料起到细晶强化、弥散强化的效果。所要解决的技术问题是使W基复合材料在烧结过程中晶粒得到细化的同时获得高性能的钨基材料。
本发明超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料，是由W和稀土氧化物Sc2O3组成，复合材料中Sc2O3的体积百分比为0.5-2％，余量为W。
本发明超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料的制备方法，包括机械合金化球磨、还原和放电等离子烧结各单元过程：
所述机械合金化球磨是将WO3粉和Sc2O3粉置于球磨罐中湿磨40h，得到复合粉体前驱体，球料比为10：1，转速为400r/min。所述WO3粉粒径为200nm，Sc2O3粉粒径为3-15μm。复合粉体前驱体中Sc2O3粉的体积百分比为0.5-2％，余量为W。复合粉体前驱体的粒径为100nm。湿磨时使用的溶剂介质为酒精。
所述还原是将复合粉体前驱体研磨后放入管式中温烧结炉中，在H2气氛下烧结还原，得到W/Sc2O3复合粉体。还原后所得W/Sc2O3复合粉体粒径为150nm。
烧结还原的工艺参数为：以5℃/min的升温速率升温至900℃保温1h，以5℃/min的降温速率降至500℃后随炉冷却至室温。烧结还原的过程中一直保持H2流通。
所述的H2为纯度≥99.999％的氢气。
所述放电等离子烧结是将W/Sc2O3复合粉体利用放电等离子烧结工艺，在加压、氩气气氛下烧结，得到高致密度的超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料，所得材料直径20mm，厚度2-3mm。
烧结工艺参数为：以100-120℃/min的升温速率依次升温至900℃保温5min、1350℃保温10min、1700℃保温3min，随后以100℃/min降至室温。在烧结过程中，一直保持氩气流通。从开始升温至900℃保温结束压强控制为15MPa，从900℃保温结束至冷却至室温压强控制为58MPa。
一般情况下，晶粒细化可以提高材料的屈服点、疲劳强度、塑性和冲击韧性，降低W的韧脆转变温度，晶粒越细，不同取向的晶粒越多，晶界总长度越长，位错移动时阻力越大，从而提高材料强度与韧性。此外，烧结性能的提高在一定程度上能够提高材料的力学性能。采用Sc2O3掺杂W基复合材料可以有效地细化晶粒，提高材料的烧结性能，进而对钨材料力学性能产生巨大的影响。
本发明首先采用机械合金化球磨细化WO3/Sc2O3前驱体粉末，还原后得到W/Sc2O3复合粉体，利用放电等离子烧结试样组织细小的优势，得到晶粒细小的W/Sc2O3复合材料。
本发明的优点主要体现在：所制备的W/Sc2O3复合材料烧结样相对密度达96.0％以上(96-99％)，显微硬度达683.2Hv，W晶粒最小尺寸由原先的20μm降至9μm。本发明W/Sc2O3复合材料可改良并应用于面向等离子体第一壁材料，具有重要的现实意义。
四、附图说明
图1中a、b、c分别为本发明同一工艺参数下(工艺参数参照实施例1)烧结所得W/Sc2O3复合材料表面腐蚀后在放大倍数200倍下的金相显微图，其中(a)纯W金相图；(b)W/0.5vol.％Sc2O3复合材料金相图；(c)W/2vol.％Sc2O3复合材料金相图。由图1可知适量的Sc2O3掺杂W基材料确实能够起到细化晶粒的效果。
图2中a、b分别为本发明W/Sc2O3复合材料的HRTEM图和高分辨图。从图a可知Sc2O3颗粒在W晶界和晶内均有分布，且晶内的Sc2O3颗粒更细小。
五、具体实施方式
实施例1：
1、机械合金化球磨
将WO327.74g(99.5vol.％)和Sc2O30.0221g(0.5vol.％)粉末加入到球磨罐中，加入100mL酒精湿磨40h，球料比为10:1，转速为400r/min，得到复合粉体前驱体WO3/0.5vol.％Sc2O3。WO3粉粒径为200nm，Sc2O3粉粒径为3-15μm。复合粉体前驱体的粒径为100nm。
2、还原
将得到的复合粉体前驱体WO3/0.5vol.％Sc2O3先在玛瑙研钵中研细，然后放入管式中温烧结炉中，在H2气氛下烧结还原，得到W/0.5vol.％Sc2O3复合粉体。还原后所得W/0.5vol.％Sc2O3复合粉体粒径为150nm。
烧结还原的工艺参数为：以5℃/min的升温速率升温至900℃保温1h，以5℃/min的降温速率降至500℃后随炉冷却至室温。烧结还原的过程中一直保持H2流通。H2的纯度≥99.999％。
3、放电等离子烧结
将所得的W/0.5vol.％Sc2O3复合粉体利用放电等离子烧结工艺在加压、氩气气氛保护过程中完成烧结，得到高致密度的超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料，所得材料直径20mm，厚度2-3mm。
烧结工艺为：以100℃/min的升温速率依次升温至900℃保温5min、1350℃保温10min、1700℃保温3min，随后以100℃/min降至室温。在烧结过程中，一直保持氩气流通。从开始升温至900℃保温结束压强控制为15MPa，从900℃保温结束至冷却至室温压强控制为58MPa。
目标产物W/0.5vol.％Sc2O3复合材料致密度达96.3％，最小晶粒尺寸为15μm，显微硬度为636.9Hv。
实施例2：
1、机械合金化球磨
将WO327.74g(98vol.％)和Sc2O30.0896g(2vol.％)粉末加入到球磨罐中，加入100mL酒精湿磨40h，球料比为10:1，转速为400r/min，得到复合粉体前驱体WO3/2vol.％Sc2O3。WO3粉粒径为200nm，Sc2O3粉粒径为3-15μm。复合粉体前驱体的粒径为100nm。
2、还原
将得到的复合粉体前驱体WO3/2vol.％Sc2O3先在玛瑙研钵中研细，然后放入管式中温烧结炉中，在H2气氛下烧结还原，得到W/2vol.％Sc2O3复合粉体。还原后所得W/2vol.％Sc2O3复合粉体粒径为150nm。
烧结还原的工艺参数为：以5℃/min的升温速率升温至900℃保温1h，以5℃/min的降温速率降至500℃后随炉冷却至室温。烧结还原的过程中一直保持H2流通。H2的纯度≥99.999％。
3、放电等离子烧结
将所得的W/2vol.％Sc2O3复合粉体利用放电等离子烧结工艺在加压、氩气气氛保护过程中完成烧结，得到高致密度的超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料，所得材料直径20mm，厚度2-3mm。
烧结工艺为：以110℃/min的升温速率依次升温至900℃保温5min、1350℃保温10min、1700℃保温3min，随后以100℃/min降至室温。在烧结过程中，一直保持氩气流通。从开始升温至900℃保温结束压强控制为15MPa，从900℃保温结束至冷却至室温压强控制为58MPa。
目标产物W/2vol.％Sc2O3复合材料致密度达98.3％，最小晶粒尺寸为9μm，显微硬度为679.4Hv。
实施例3：
1、机械合金化球磨
将WO325g(98vol.％)和Sc2O30.0807g(2vol.％)粉末加入到球磨罐中，加入100mL酒精湿磨40h，球料比为10:1，转速为400r/min，得到复合粉体前驱体WO3/2vol.％Sc2O3。WO3粉粒径为200nm，Sc2O3粉粒径为3-15μm。复合粉体前驱体的粒径为100nm。
2、还原
将得到的复合粉体前驱体WO3/2vol.％Sc2O3先在玛瑙研钵中研细，然后放入管式中温烧结炉中，在H2气氛下烧结还原，得到W/2vol.％Sc2O3复合粉体。还原后所得W/2vol.％Sc2O3复合粉体粒径为150nm。
烧结还原的工艺参数为：以5℃/min的升温速率升温至900℃保温1h，以5℃/min的降温速率降至500℃后随炉冷却至室温。烧结还原的过程中一直保持H2流通。H2的纯度≥99.999％。
3、放电等离子烧结
将所得的W/2vol.％Sc2O3复合粉体利用放电等离子烧结工艺在加压、氩气气氛保护过程中完成烧结，得到高致密度的超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料，所得材料直径20mm，厚度2-3mm。
烧结工艺为：以120℃/min的升温速率依次升温至900℃保温5min、1350℃保温10min、1700℃保温3min，随后以100℃/min降至室温。在烧结过程中，一直保持氩气流通。从开始升温至900℃保温结束压强控制为15MPa，从900℃保温结束至冷却至室温压强控制为58MPa。
目标产物W/2vol.％Sc2O3复合材料致密度达98.6％，最小晶粒尺寸为9μm，显微硬度为683.2Hv。

Claims (9)

1.一种超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料，其特征在于：是由W和稀土氧化物Sc2O3组成，复合材料中Sc2O3的体积百分比为0.5-2％，余量为W。
2.一种权利要求1所述的超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料的制备方法，包括机械合金化球磨、还原和放电等离子烧结各单元过程，其特征在于：
所述机械合金化球磨是将WO3粉和Sc2O3粉置于球磨罐中湿磨40h，得到复合粉体前驱体，球料比为10：1，转速为400r/min；
所述还原是将复合粉体前驱体研磨后放入管式中温烧结炉中，在H2气氛下烧结还原，得到W/Sc2O3复合粉体；还原后所得W/Sc2O3复合粉体粒径为150nm；
所述放电等离子烧结是将W/Sc2O3复合粉体利用放电等离子烧结工艺，在加压、氩气气氛下烧结，得到高致密度的超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
机械合金化球磨过程中所述WO3粉粒径为200nm，Sc2O3粉粒径为3-15μm。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
所述复合粉体前驱体中Sc2O3粉的体积百分比为0.5-2％，余量为W。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
所述复合粉体前驱体的粒径为100nm。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
还原过程中所述烧结还原的工艺参数为：以5℃/min的升温速率升温至900℃保温1h，然后以5℃/min的降温速率降至500℃后随炉冷却至室温。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
还原过程中所述H2为纯度≥99.999％的氢气。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
放电等离子烧结过程中所述烧结工艺参数为：以100-120℃/min的升温速率依次升温至900℃保温5min、1350℃保温10min、1700℃保温3min，随后以100℃/min降至室温。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：
从开始升温至900℃保温结束压强控制为15MPa，从900℃保温结束至冷却至室温压强控制为58MPa。
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