CN109234557B - 一种超细高硬度w-y2o3复合材料的制备方法 - Google Patents

一种超细高硬度w-y2o3复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超细高硬度W‑Y2O3复合材料的制备方法，是在制备过程中加入表面活性剂三乙醇胺，进一步促进晶粒细化，得到超细高硬度的W‑Y2O3复合材料。本发明复合材料的相对密度达97.0％以上，晶粒尺寸达0.7‑1.5μm，硬度达550‑670HV0.2,优于传统湿化学法制备的W‑Y2O3材料(晶粒尺寸4‑6μm，硬度350‑400HV0.2)。

Description

一种超细高硬度W-Y2O3复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种钨基复合材料的制备方法，具体地说是一种超细高硬度W-Y2O3复合材料的制备方法。
背景技术
为了使核聚变能有效的解决人类未来社会能源问题与环境问题，强磁场约束高温等离子体聚变装置托卡马克(Tokamak)的发明为可控热核聚变反应的实现提供了可能性，并且成立了国际热核聚变试验堆(ITER)。但是在热核聚变中，边界的等离子体会与面向等离子体材料(PFM，Plasma Facing Materials)发生作用，面向等离子体材料受到大量的热能、高能粒子、电磁辐射，并造成严重的表面损伤，热学和力学性能下降，材料的服役寿命会进一步缩短，还会导致严重的滞留和渗透问题。因此对面向等离子体材料有很高的要求。
钨因其高熔点、高导热率、低溅射腐蚀速率、高自溅射阀值以及低蒸气压和低氚滞留等优异性能，被认为是聚变装置最具有前景的面对等离子体第一壁材料。然而，钨存在脆性问题，低温脆性、再结晶脆性和辐照脆性成为制约钨基材料在聚变反应堆中发挥最大性能的主要因素。经过试验发现，向钨基材料中添加第二相(如稀土氧化物和碳化物)可以对材料进行强化。一般用球磨制备超细W/第二相复合粉末，然而，在这种球磨过程中容易引入杂质，严重影响钨基材料的性能，。因此根据以上研究现状，发现湿化学法在制备前驱体粉末时更易实现高纯度、均匀性混合，但是第二相容易聚集，颗粒尺寸较大。本发明在制备W-Y2O3复合前驱体粉末的传统湿化学法基础上，加入了表面活性剂来促进第二相的弥散分布，制备超细高硬度的W-Y2O3复合材料。
发明内容
本发明旨在提供一种超细高硬度W-Y2O3复合材料的制备方法。与制备W-Y2O3复合前驱体粉末的传统湿化学法相比，本发明加入表面活性剂三乙醇胺，进一步促进晶粒细化，得到超细高硬度的W-Y2O3复合材料。
本发明超细高硬度W-Y2O3复合材料制备过程中添加的表面活性剂三乙醇胺为偏钨酸铵质量的5-7％。
本发明超细高硬度W-Y2O3复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：制粉
将表面活性剂三乙醇胺((HOCH2CH2)3N，Aladdin，分析纯)、六水合硝酸钇(Y(NO3)3· 6H2O，Aladdin，纯度≥99.5％)和偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)溶解在去离子水中，随后加入沉淀剂草酸(C2H2O4·2H2O，分析纯)，在110-130℃下不断搅拌直至获得 W-Y2O3前驱体粉末；将所得W-Y2O3前驱体粉末研磨后置于管式炉中，在氢气气氛下还原，获得W-Y2O3复合粉体；
步骤1中，表面活性剂三乙醇胺的添加质量为偏钨酸铵质量的5-7％；六水合硝酸钇的添加质量为偏钨酸铵质量的1.5％，沉淀剂草酸的添加质量为偏钨酸铵质量的38.5％。
步骤1中，所述还原是首先于550-650℃保温50-70分钟，然后于750-850℃保温110-130 分钟。
步骤2：烧结
将步骤1获得的W-Y2O3复合粉体装入石墨模具，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空，首先升温至800-850℃保温4-6分钟，然后升温至1600-1650℃保温30-60秒，保温结束后降至室温，即得到W-Y2O3复合材料，晶粒尺寸达0.7-1.5μm。
步骤2烧结过程中，升温速率为100℃/min，降温随炉冷却。
步骤2烧结过程中，800-850℃之前烧结炉内的压力不超过14MPa，之后压力不超过50MPa。
本发明的有益效果体现在：
与目前制备W/第二相复合粉体的球磨法相比，本方法得到的粉体纯度高，颗粒尺寸较小，且可实现批量化生产，以满足不同条件下W-Y2O3复合材料的性能要求。
与制备W-Y2O3复合前驱体粉末的传统湿化学法相比，本发明加入了表面活性剂三乙醇胺，可以使晶粒尺寸得到进一步的细化，为后序烧结获得超细高硬度的W-Y2O3复合材料打下了基础。复合材料的相对密度达97.0％以上，晶粒尺寸达0.7-1.5μm，硬度达550-670HV0.2, 优于传统湿化学法制备的W-Y2O3材料(晶粒尺寸4-6μm，硬度350-400HV0.2)。
附图说明
图1是W-Y2O3复合粉体的FE-SEM。由图1可知，本发明方法制备出的W-Y2O3复合前驱体粉末颗粒尺寸较细，小颗粒尺寸大约在50nm，大的颗粒尺寸大约在400nm。
图2是W-Y2O3复合材料的FE-SEM。从图2可见，断口存在极少数孔洞，且出现了大量河流状的穿晶断裂。
具体实施方式
实施例1：
本实施例中超细高硬度W-Y2O3复合材料，是由金属W和稀土氧化物Y2O3组成，其中W的质量百分比是99％，其余的量为Y2O3。
本实施例中超细高硬度W-Y2O3复合材料的制备方法如下：
步骤1：制粉
表面活性剂三乙醇胺((HOCH2CH2)3N，Aladdin，分析纯)、六水合硝酸钇(Y(NO3)3·6H2O, Aladdin,纯度≥99.5％)、偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)和草酸(C2H2O4·2H2O，分析纯)为原料，添加量为偏钨酸铵质量的5％，1.5％，38.5％。将三乙醇胺、六水合硝酸钇和偏钨酸铵溶解在去离子水中得到一定量溶液，将沉淀剂草酸加入溶液中，在110℃下不断搅拌直至获得W-Y2O3前驱体粉末；将所得W-Y2O3前驱体粉末研磨后置于管式炉中，在氢气气氛下还原，550℃保温70分钟，750℃保温130分钟，获得W-Y2O3复合粉体；
步骤2：烧结
将还原后的W-Y2O3复合粉末装入石墨模具，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空，升温至850℃保温6分钟，升温至1650℃保温60秒，保温结束后降至室温，即得到W-Y2O3复合材料，晶粒尺寸达1.5μm。
烧结过程中，升温速率为100℃/min，降温随炉冷却。
烧结过程中，850℃之前压头施加在模具上的单轴压力不超过14MPa，之后压力不超过 50MPa。
本发明所制备的W-Y2O3复合材料相对密度达97.0％以上，晶粒尺寸达1.5μm，硬度达 550HV0.2。
实施例2：
本实施例中超细高硬度W-Y2O3复合材料，是由金属W和稀土氧化物Y2O3组成，其中W的质量百分比是99％，其余的量为Y2O3。
本实施例中超细高硬度W-Y2O3复合材料的制备方法如下：
步骤1：制粉
表面活性剂三乙醇胺((HOCH2CH2)3N，Aladdin，分析纯)、六水合硝酸钇(Y(NO3)3·6H2O, Aladdin,纯度≥99.5％)、偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)和草酸(C2H2O4·2H2O，分析纯)为原料，添加量为偏钨酸铵质量的6％，1.5％，38.5％。将三乙醇胺、六水合硝酸钇和偏钨酸铵溶解在去离子水中得到一定量溶液，将沉淀剂草酸加入溶液中，在120℃下不断搅拌直至获得W-Y2O3前驱体粉末；将所得W-Y2O3前驱体粉末研磨后置于管式炉中，在氢气气氛下还原，600℃保温60分钟，800℃保温120分钟，获得W-Y2O3复合粉体；
步骤2：烧结
将还原后的W-Y2O3复合粉末装入石墨模具，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空，升温至830℃保温5分钟，升温至1630℃保温45秒，保温结束后降至室温，即得到W-Y2O3复合材料，晶粒尺寸达1μm。
烧结过程中，升温速率为100℃/min，降温随炉冷却。
烧结过程中，830℃之前压头施加在模具上的单轴压力不超过14MPa，之后压力不超过 50MPa。
本发明所制备的W-Y2O3复合材料相对密度达97.0％以上，晶粒尺寸达1μm，硬度达600HV0.2。
实施例3：
本实施例中超细高硬度W-Y2O3复合材料，是由金属W和稀土氧化物Y2O3组成，其中W的质量百分比是99％，其余的量为Y2O3。
本实施例中超细高硬度W-Y2O3复合材料的制备方法如下：
步骤1：制粉
表面活性剂三乙醇胺((HOCH2CH2)3N，Aladdin，分析纯)、六水合硝酸钇(Y(NO3)3·6H2O, Aladdin,纯度≥99.5％)、偏钨酸铵(AMT，Aladdin，纯度≥99.95％)和草酸(C2H2O4·2H2O，分析纯)为原料，添加量为偏钨酸铵质量的7％，1.5％，38.5％。将三乙醇胺、六水合硝酸钇和偏钨酸铵溶解在去离子水中得到一定量溶液，将沉淀剂草酸加入溶液中，在130℃下不断搅拌直至获得W-Y2O3前驱体粉末；将所得W-Y2O3前驱体粉末研磨后置于管式炉中，在氢气气氛下还原，650℃保温50分钟，850℃保温110分钟，获得W-Y2O3复合粉体；
步骤2：烧结
将还原后的W-Y2O3复合粉末装入石墨模具，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空，升温至800℃保温4分钟，升温至1600℃保温30秒，保温结束后降至室温，即得到W-Y2O3复合材料，晶粒尺寸达0.7μm。
烧结过程中，升温速率为100℃/min，降温随炉冷却。
烧结过程中，800℃之前压头施加在模具上的单轴压力不超过14MPa，之后压力不超过 50MPa。
本发明所制备的W-Y2O3复合材料相对密度达97.0％以上，晶粒尺寸达0.7μm，硬度达 670HV0.2。

Claims (1)

1.一种超细高硬度W-Y2O3复合材料的制备方法，其特征在于：
在制备过程中加入表面活性剂三乙醇胺，进一步促进晶粒细化，得到超细高硬度的W-Y2O3复合材料，包括如下步骤：
步骤1：制粉
将表面活性剂三乙醇胺、六水合硝酸钇和偏钨酸铵溶解在去离子水中，随后加入沉淀剂草酸，在110-130℃下不断搅拌直至获得W-Y2O3前驱体粉末；将所得W-Y2O3前驱体粉末研磨后置于管式炉中，在氢气气氛下还原，获得W-Y2O3复合粉体；
步骤2：烧结
将步骤1获得的W-Y2O3复合粉体装入石墨模具，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空，首先升温至800-850℃保温4-6分钟，然后升温至1600-1650℃保温30-60秒，保温结束后降至室温，即得到W-Y2O3复合材料；
步骤1中，表面活性剂三乙醇胺的添加质量为偏钨酸铵质量的5-7%；六水合硝酸钇的添加质量为偏钨酸铵质量的1.5%，沉淀剂草酸的添加质量为偏钨酸铵质量的38.5%；
步骤1中，所述还原是首先于550-650℃保温50-70分钟，然后于750-850℃保温110-130分钟；
步骤2烧结过程中，升温速率为100℃/min，降温随炉冷却；
步骤2烧结过程中，800-850℃之前烧结炉内的压力不超过14MPa，之后压力不超过50MPa。
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