CN116555653A - 一种k泡与纳米氧化物复合强化的w基材料及其制备方法 - Google Patents
一种k泡与纳米氧化物复合强化的w基材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116555653A CN116555653A CN202310532789.4A CN202310532789A CN116555653A CN 116555653 A CN116555653 A CN 116555653A CN 202310532789 A CN202310532789 A CN 202310532789A CN 116555653 A CN116555653 A CN 116555653A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- bubbles
- sintering
- alloy
- nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 13
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 79
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 53
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 28
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 28
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910001080 W alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000000713 high-energy ball milling Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000007873 sieving Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 26
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 22
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 13
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 11
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 9
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims description 9
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 9
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 7
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 5
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 5
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 claims description 5
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000036316 preload Effects 0.000 claims description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 14
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 abstract description 10
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 13
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 11
- 229910000799 K alloy Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 5
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 3
- 229910018138 Al-Y Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 2
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- -1 aluminum potassium silicon Chemical compound 0.000 description 1
- 229910000808 amorphous metal alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000005551 mechanical alloying Methods 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
- C22C27/04—Alloys based on tungsten or molybdenum
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/1003—Use of special medium during sintering, e.g. sintering aid
- B22F3/1007—Atmosphere
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/1017—Multiple heating or additional steps
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
- B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
- B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
- B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
- C22C32/001—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
- C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
- C22C32/0031—Matrix based on refractory metals, W, Mo, Nb, Hf, Ta, Zr, Ti, V or alloys thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C45/00—Amorphous alloys
- C22C45/08—Amorphous alloys with aluminium as the major constituent
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
- B22F2009/043—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by ball milling
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
- B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
- B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
- B22F2009/0824—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid with a specific atomising fluid
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
- B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
- B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
- B22F2009/0848—Melting process before atomisation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Abstract
一种K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料及其制备方法，属于粉末制备工程技术领域。其组织特征是：以W多晶为基体，材料中K以K泡形式出现在晶界处；W基体上同时有Y2O3纳米粒子弥散、均匀分布。制备方法为：首先通过电弧熔炼结合熔体雾化技术制备熔点低于1100℃的Al100‑aYa非晶粉体；接着，将其筛分后与AKS‑W粉为原料，以目标W合金烧结体的名义成分为基准进行配料，混合后进行高能球磨，获得Al100‑aYa非晶与AKS‑W复合粉体；最后，通过热压烧结技术制备基体上有纳米Y2O3颗粒弥散分布、晶界处有K泡形成的W材料。本发明于无氢环境中，能够真正实现硬性氧化物颗粒与软性K泡对W材料的共同联合强化效果；是一种特殊的软/硬相复合强化W材料，为研制具有优良高温性能的高强W合金材料提供新途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料、制备方法及其应用，属于粉末制备工程技术领域。
背景技术
向W中添加弥散分布的第二相粒子是提高W材料的工作温度，改善服役性能的重要方法。目前，实用W材料中添加的第二相粒子主要有：K泡、氧化物和碳化物等。
W-K合金的K泡能有效钉扎W材料中的晶界，阻止晶界移动，获得优异的高温组织稳定性(再结晶温度超过1700℃)与抗蠕变性能。W-K合金优异的高温性能在照明等工程领域获得了广泛应用。工业生产W-K合金的主要工艺包括：1.湿化学法制备AKS-W(铝钾硅掺杂钨)粉末；2.高温烧结制备W-K烧结坯；3.后续旋锻等塑性加工。加工后K泡呈断续的流线状分布于晶界处。由于K泡是软相，对W基体的强化作用有限，材料室温强度偏低。氧化物等硬第二相的添加对提升W材料室温强度明显。研究表明：通过向W中添加纳米尺度Y2O3等强化粒子(ODS-W合金)，材料的室温强度、硬度及抗热冲击性能可大幅提高，是获取高强W合金的重要途径。但是，氧化物等硬性粒子的添加对提高W材料的再结晶温度作用有限(再结晶温度接近1500℃)，难以满足日益增长的高温服役性能需要。ODS-W与W-K的生产过程类似，也包括制粉、烧结与后续变形加工三阶段。
鉴于W-K与ODS-W合金优势性能方面的互补性，最近人们试图通过K泡与氧化物的联合作用，来获取具有良好高温稳定性的高强W合金。例如Chen等人利用机械合金化技术，通过向W-K粉中添加0.05-0.5wt.％Y(重量百分比)制备出W-K-Y复合粉末，然后通过放电等离子体烧结技术(SPS)制备先进W合金。由于Y与W-K粉中O杂质的化学亲和力强，Y含量超过0.1wt.％的复合粉体烧结后获得了含Y2O3颗粒的W-K合金，但Y2O3都在三角晶界处形成，尺寸为微米量级。研究表明：Y的引入对基体W晶粒中有一定的细晶强化作用；但Y的添加量超过0.1wt.％时，晶界处会形成、聚集微米大小的Y2O3粒子，由于这种氧化物尺寸过大(非纳米量级)且在晶界团聚，这不但无法引发第二相弥散强化效果，而且会使材料的力学性能发生明显劣化(Inter.J.Refra.Metals and Hard Mater.103(2022)105739)。
为克服现有技术制备的W-K合金中氧化物粒子粗大、晶界偏聚等不足，本专利提出一种晶界由K泡为主强化、晶内由纳米氧化物颗粒弥散强化的W材料及其制备方法。具体的，拟利用Al-Y非晶合金的低熔点、化学活性强和非晶液相毛细扩散能力强等特性，与W-K粉一起球磨，混合均匀后在略高于Al-Y非晶熔点的温度下进行第一步烧结，通过非晶熔化引入液相烧结效应，使Y、O组元充分扩散到W晶粒内部，原位反应形成氧化物，以克服W-K-Y粉烧结中产生的氧化物晶界团聚问题；随后升温，采用常规W-K合金烧结工艺进行第二步烧结，使Al、Si等残余杂质正常挥发，遗留K元素形成K泡。通过以上两步烧结工艺获得晶内有纳米Y2O3颗粒弥散分布、晶界处有K泡的W材料。其中的K泡大小与分布状态可进一步通过后续塑性加工处理调控，以达到K泡与氧化物对W材料的理想复合强化效果。这种由K泡与纳米氧化物实现的软/硬相复合强化W材料，综合了W-K的高温强化与ODS-W的室温强化优势。它为实现高温稳定性好的高强W合金制备提供了可能，并有利于拓展W材料在高温环境下的适用性，具有良好的发展前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种晶界由K泡为主强化、晶内有纳米氧化物颗粒弥散强化的软/硬相复合强化W材料及其制备方法。以解决现有含氧化物的W-K合金中存在的：(1)没有真正实现软性K泡与硬性氧化物颗粒联合双强化作用；(2)氧化物仅在晶界处形成，且颗粒尺寸无法达到纳米量级，不能达到弥散强化效果；3)Y添加量超过0.1wt.％时造成Y2O3微米粒子的晶界析出与偏聚，导致材料性能劣化。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料，其组织特征是：以2～10μm的W多晶为基体；材料中K的名义含量为30～90ppm，以K泡形式出现在晶界处，大小约为0.1～1μm，这些K泡的最终大小和分布状态可进一步通过后续塑性加工处理调控；W基体上同时有Y2O3纳米粒子弥散、均匀分布，Y2O3纳米粒子的大小(5-50nm)、数目密度可由烧成工艺实现调控，数目密度对应的体积分数在0.5％-5％之间(在粒子大小一定时，对应于氧化物颗粒所占的体积分数，体积分数可通过烧结原料配比与烧结工艺调节)。
一种K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料的制备方法，首先通过电弧熔炼结合熔体雾化技术制备熔点低于1100℃的Al100-aYa(55≤a≤75，原子百分比)非晶粉体；接着，将其筛分后与市售AKS-W粉一起为原料，以目标W合金烧结体的名义成分为基准进行配料，混合后置于无水乙醇介质环境中进行高能球磨，获得Al100-aYa非晶与AKS-W复合粉体，取出，烘干；最后，通过热压烧结技术制备基体上有纳米Y2O3颗粒弥散分布、晶界处有K泡形成的W材料。
具体步骤如下：
(1)第一步，制备Al100-aYa粉体材料
首先，以工业纯金属为原料，配置原子百分比成分为Al100-aYa(55≤a≤75)合金，将其置于非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至≤3×10-2Pa，并充入0.01～0.02MPa的工业纯Ar气进行非自耗电弧熔炼，熔炼的工作电流为120～150A；将合金上下翻转反复熔炼3次，获得成分均匀的Al100-aYa合金锭。
将Al100-aYa合金锭破碎，放入石墨坩埚内，进行雾化制粉：通过中频感应加热，至一定温度(略高于Al100-aYa合金的熔点)保温2～5min。利用雾化技术将其喷出冷却(雾化气体喷压为2～5MPa，导流杆喷嘴孔径为1mm)，得到球形粉体材料，其粒径在5～30μm之间，筛分、备用。采用X射线衍射(XRD)确认粉体的非晶态结构。
(2)第二步，制备Al100-aYa+AKS-W复合粉体
以市售商用AKS-W粉为材料基体原料，选择粒度相当的Al100-aYa非晶粉作为添加物，称重、配置，复合粉体，复合粉体的成分通式为AKS-W+0.6～4.0wt.％Al100-aYa(其对应的目标合金的名义成分为W-K-0.3～3.0wt.％Y，其中Y主要与O一起以Y2O3形态存在)。混合后，与磨球(料球比为1:5～1:10)一起装入球磨罐，在无水乙醇介质环境中进行高能球磨，球磨机转速为150～200rpm，球磨时间为10～30h。最后将球磨后的粉体取出，在真空干燥箱内烘干、备用。
(3)第三步，真空热压烧结制备W-K-Y2O3烧结体
将步骤二中获得的复合粉体(目标合金原料)放入真空热压烧结炉进行烧结，获取目标合金烧结体。烧结的预载压强30MPa，真空度1×10-2Pa，主要包括两个阶段：第一阶段的烧结温度为1100-1200℃，烧结压强为70MPa，保温时长为60min；第二阶段的烧结温度为1700-1850℃，烧结压强为70MPa，保温时长60-120min。随后炉冷至室温，取出烧结体样品，进行烧结体致密度与形貌观测。
一种K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料的应用：W基材料通过后续的塑性加工处理(可参照常规W-K合金塑性加工方法)，能进一步调控K泡的大小和分布状态，达到最优的软/硬相耦合弥散强化效果。这为今后粉末冶金研制兼具优良高温性能与高强度的W合金新材料提供了简捷、有效的途径。
本发明的有益效果是：
(1)利用Al100-aYa非晶的特殊效用，于无氢环境中，通过真空热压烧结技术，在W-K合金基体上(包括W晶粒内部)弥散原位形成纳米尺度的氧化物强化相，真正实现了硬性氧化物颗粒与软性K泡对W材料的共同联合强化效果；
(2)Y2O3氧化物纳米粒子的大小、数目密度可由Al100-aYa非晶粉的添加量与烧成工艺实现调控；材料中K泡的最终形态与分布可由后续塑性加工处理调控；
(3)这种晶内有纳米Y2O3颗粒弥散分布、晶界处有K泡的W材料，是一种特殊的软/硬相复合强化W材料，它综合了W-K的高温强化与ODS-W的室温强化优势，有利于拓展W材料在高温环境下的适用性。这也为研制具有优良高温性能的高强W合金材料提供了新途径。
附图说明
图1为实施例1中烧结体断面的扫描电镜照片，其中黑色箭头所示为K泡。
图2为实施例1中烧结体样品的透射电镜明场形貌图，其中白色箭头示意性给出了散分布的球状Y2O3氧化物纳米粒子位置。
具体实施方式
以下通过三个具体的实例对本发明的具体制备过程和效果作进一步阐述。
实施例1W-K-0.3wt.％Y烧结体
(1)第一步，制备Al45Y55粉体材料
首先，以工业纯金属为原料，配置原子百分比成分为Al45Y55合金，将其置于非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至3×10-2Pa，并充入0.02MPa的工业纯Ar气进行非自耗电弧熔炼，熔炼的工作电流为150A；将合金上下翻转反复熔炼3次，获得成分均匀的Al45Y55合金锭，熔炼前后合金的重量损失低于千分之一。
将Al45Y55合金锭破碎，放入石墨坩埚内，进行雾化制粉：通过中频感应加热至1100℃(略高于Al45Y55合金熔点)保温5min。利用雾化技术将其喷出冷却(雾化气体喷压为5MPa，导流杆喷嘴孔径为1mm)，得到粒径在5～20μm之间的球形粉体。该粉体的X射线衍射谱显示出典型的非晶态结构漫散包特征，无明锐的晶体衍射峰存在，确认粉体为非晶态结构。
(2)第二步，制备Al45Y55+AKS-W复合粉体
以AKS-W粉(市售商用，3.1μm，K：30ppm，Al：35ppm，O：0.10wt.％)与粒径6.5～13μm的Al45Y55非晶粉(用1000目和2000目筛网筛分)为原料，称重、配置成分为AKS-W+0.6wt.％Al45Y55的复合粉体(对应于名义成分为W-K-0.3wt.％Y目标合金)。粉料混合后与磨球(料球比为1:5)一起装入球磨罐，在无水乙醇介质环境中进行高能球磨，球磨机转速为150rpm，球磨时间为10h。将球磨后的粉体取出，在真空干燥箱内烘干、备用。
(3)第三步，真空热压烧结制备W-K-0.3wt.％Y烧结体
将步骤二中获得的复合粉体约100g倒入石墨模具中，将其放入真空热压烧结炉内，抽真空至1×10-2Pa，同时进行预压加载30MPa；然后以100℃/min的升温速率加热至1200℃保温60min，第一阶段烧结处理，此时Al45Y55非晶熔化，发挥液相烧结优势，充分将Y扩溶到W晶粒中，与其中的O结合形成Y的氧化物；接着以100℃/min速率继续升温至1850℃保温90min，实施第二阶段烧结，该阶段主要发生AKS-W粉中的化合物分解，并使Al、Si等元素充分挥发，形成K泡，同时Y与O进一步充分化合形成氧化物。两阶段的烧结压强均为70MPa。烧结结束后将样品随炉冷至室温，取出，进行致密度与组织形貌观测。
通过排水法测得烧结体样品的致密度约为99.0％；附图1给出了烧结体断面的扫描电镜(SEM)形貌图，从中可见基体W晶粒的平均尺寸约为4μm，其中黑色箭头示意性指出了K泡所在位置，K泡大小在100～500nm之间；进一步的透射电子显微镜(TEM，带能谱附件)分析表明：该烧结体的基体为W多晶体，其晶粒内部与晶界上都有球状纳米粒子生成，能谱测得纳米粒子的原子百分比成分接近Y2O3，该氧化物粒子的大小在20-50nm之间，体积分数约为0.5％，均匀、弥散分布在基体材料上，如附图2所示；同时，在晶界处也发现了150nm大小K泡存在。
实施例2W-K-3wt.％Y烧结体
(1)第一步，制备Al25Y75粉体材料
首先，以工业纯金属为原料，配置原子百分比成分为Al25Y75合金，将其置于非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至1×10-2Pa，并充入0.01MPa的工业纯Ar气进行非自耗电弧熔炼，熔炼的工作电流为120A；将合金上下翻转反复熔炼3次，获得成分均匀的Al25Y75合金锭，熔炼前后合金的重量损失低于千分之一。
将Al25Y75合金锭破碎，放入石墨坩埚内，进行雾化制粉：通过中频感应加热至1000℃(略高于Al25Y75合金熔点)保温2min。利用雾化技术将其喷出冷却(雾化气体喷压为2MPa，导流杆喷嘴孔径为1mm)，得到粒径在10～30μm之间的球形粉体。该粉体的X射线衍射谱具有典型非晶态结构的漫散包特征。
(2)第二步，制备Al25Y75+AKS-W复合粉体
以AKS-W粉(市售商用，9.0μm，K：90ppm，Al：55ppm，O：0.15wt.％)与粒径18～23μm的Al25Y75非晶粉(用600目和800目筛网筛分)为原料，称重、配置成分为AKS-W+4wt.％Al25Y75的复合粉体(对应于名义成分为W-K-3wt.％Y目标合金)。粉料混合后与磨球(料球比为1:10)一起装入球磨罐，在无水乙醇介质环境中进行高能球磨，球磨机转速为200rpm，球磨时间为30h。将球磨后的粉体取出，在真空干燥箱内烘干、备用。
(3)第三步，真空热压烧结制备W-K-3wt.％Y烧结体
将步骤二中获得的复合粉体约100g倒入石墨模具中，将其放入真空热压烧结炉内，抽真空至1×10-2Pa，同时进行预压加载30MPa；然后以100℃/min的升温速率加热至1100℃保温60min，Al25Y75非晶熔化，将充分Y扩溶到W晶粒中，与其中的O结合形成氧化物；接着升温至1700℃保温120min，使AKS-W粉中的化合物分解形成K泡。两阶段的烧结压强均为70MPa。烧结结束后将样品随炉冷至室温，取出。
排水法测得的烧结体致密度为97％；扫描电镜与透射电镜观测结果显示：烧结体的基体为多晶W，其晶粒尺寸约为10μm，基体上均匀分布着K泡和Y2O3纳米粒子，K泡大小在500nm～1μm之间；纳米粒子呈球状，大小为30～50nm，体积分数约为5％。
实施例3W-K-2wt.％Y烧结体
(1)第一步，制备Al35Y65粉体材料
首先，以工业纯金属为原料，配置原子百分比成分为Al35Y65合金，将其置于非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至2×10-2Pa，并充入0.015MPa的工业纯Ar气进行非自耗电弧熔炼，熔炼的工作电流为135A；将合金上下翻转反复熔炼3次，获得成分均匀的Al35Y65合金锭，熔炼前后合金的重量损失低于千分之一。
将Al25Y75合金锭破碎，放入石墨坩埚内，进行雾化制粉：通过中频感应加热至1050℃(略高于Al35Y65合金熔点)保温4min。利用雾化技术将其喷出冷却(雾化气体喷压为4MPa，导流杆喷嘴孔径为1mm)，得到粒径在6～23μm之间的球形粉体。该粉体的X射线衍射谱具有典型的非晶态结构漫散包特征，确认其为非晶态结构。
(2)第二步，制备Al35Y65+AKS-W复合粉体
以AKS-W粉(市售商用，1.3μm，K：30ppm，Al：25ppm，O：0.10wt.％)与粒径6.5～10μm的Al35Y65非晶粉(用1340目和2000目筛网筛分)为原料，称重、配置成分为AKS-W+3.1wt.％Al35Y65的复合粉体(对应于名义成分为W-K-2wt.％Y目标合金)。粉料混合后与磨球(料球比为1:8)一起装入球磨罐，在无水乙醇介质环境中进行高能球磨，球磨机转速为180rpm，球磨时间为20h。将球磨后的粉体取出，在真空干燥箱内烘干、备用。
(3)第三步，真空热压烧结制备W-K-2wt.％Y烧结体
将步骤二中获得的复合粉体约100g倒入石墨模具中，将其放入真空热压烧结炉内，抽真空至1×10-2Pa，同时进行预压加载30MPa；然后以100℃/min的升温速率加热至1150℃保温60min，Al35Y65非晶熔化，将充分Y扩溶到W晶粒中，与其中的O结合形成氧化物；接着升温至1800℃保温60min，让AKS-W粉中的化合物分解形成K泡，并使Y、O充分反应成氧化物。两阶段的烧结压强均为70MPa。烧结完成后将样品随炉冷至室温，取出。
排水法测得的烧结体致密度为98.2％；扫描电镜与透射电镜观测结果显示：烧结体的基体为多晶W，其晶粒尺寸约为2μm，基体上均匀分布着K泡和Y2O3纳米粒子，K泡大小在100～350nm之间；纳米粒子呈球状，大小为5～25nm，体积分数约为3.2％。
上述结果表明：本实施例最终在无氢环境中，通过真空热压烧结技术，制备出W-K-Y2O3烧结体，即在W-K基体上，均匀、弥散分布着纳米尺度的Y2O3粒子，可实现硬性氧化物颗粒与软性K泡对W晶材料的复合强化。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料，其特征在于，所述W基材料的组织特征是：以2～10μm的W多晶为基体；材料中K的名义含量为30～90ppm，以K泡形式出现在晶界处，K泡的最终大小和分布状态通过后续塑性加工处理调控；W基体上同时有Y2O3纳米粒子弥散、均匀分布，Y2O3纳米粒子的大小、数目密度由烧成工艺实现调控，数目密度对应的体积分数在0.5％-5％之间，体积分数通过烧结原料配比与烧结工艺调节。
2.根据权利要求1所述的一种K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料，其特征在于，所述的K泡大小为0.1～1μm；Y2O3纳米粒子的大小为5-50nm。
3.一种权利要求1或2所述的K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料的制备方法，其特征在于，首先，通过电弧熔炼结合熔体雾化技术制备熔点低于1100℃的Al100-aYa非晶粉体，其中55≤a≤75，原子百分比；其次，将其筛分后与市售AKS-W粉一起为原料，以目标W合金烧结体的名义成分为基准进行配料，混合后置于无水乙醇介质环境中进行高能球磨，获得Al100- aYa非晶与AKS-W复合粉体，烘干；最后，通过热压烧结方法制备基体上有纳米Y2O3颗粒弥散分布、晶界处有K泡形成的W材料。
4.根据权利要求3所述的一种K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料的制备方法，其特征在于，所述的制备Al100-aYa粉体材料步骤为：
以工业纯金属为原料，配置原子百分比成分为Al100-aYa合金，将其置于非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至≤3×10-2Pa，并充入0.01～0.02MPa的工业纯Ar气进行非自耗电弧熔炼，熔炼的工作电流为120～150A；将合金上下翻转反复熔炼多次，获得成分均匀的Al100-aYa合金锭；
将Al100-aYa合金锭破碎，放入石墨坩埚内，进行雾化制粉：通过中频感应加热，至高于Al100-aYa合金的熔点处保温2～5min；利用雾化技术将其喷出冷却，得到球形粉体材料，其粒径在5～30μm之间，筛分、备用。
5.根据权利要求3所述的一种K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料的制备方法，其特征在于，所述的制备Al100-aYa+AKS-W复合粉体步骤为：
以市售商用AKS-W粉为材料基体原料，选择粒度相当的Al100-aYa非晶粉作为添加物，称重、配置，复合粉体，复合粉体的成分通式为AKS-W+0.6～4.0wt.％Al100-aYa，其对应的目标合金的名义成分为W-K-0.3～3.0wt.％Y，其中Y主要与O一起以Y2O3形态存在；混合后，与磨球一起装入球磨罐，在无水乙醇介质环境中进行高能球磨，球磨机转速为150～200rpm，球磨时间为10～30h；最后将球磨后的粉体取出，在真空干燥箱内烘干、备用。
6.根据权利要求5所述的一种K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料的制备方法，其特征在于，所述的高能球磨过程中，料球比为1:5～1:10。
7.根据权利要求3所述的一种K泡与纳米氧化物复合强化的W基材料的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结制备W-K-Y2O3烧结体步骤为：
将Al100-aYa+AKS-W复合粉体放入真空热压烧结炉进行烧结，获取目标合金烧结体；烧结的预载压强30MPa，真空度1×10-2Pa，主要包括两个阶段：第一阶段的烧结温度为1100-1200℃，烧结压强为70MPa，保温时长为60min；第二阶段的烧结温度为1700-1850℃，烧结压强为70MPa，保温时长60-120min；随后炉冷至室温，得到产物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310532789.4A CN116555653A (zh) | 2023-05-12 | 2023-05-12 | 一种k泡与纳米氧化物复合强化的w基材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310532789.4A CN116555653A (zh) | 2023-05-12 | 2023-05-12 | 一种k泡与纳米氧化物复合强化的w基材料及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116555653A true CN116555653A (zh) | 2023-08-08 |
Family
ID=87501343
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310532789.4A Pending CN116555653A (zh) | 2023-05-12 | 2023-05-12 | 一种k泡与纳米氧化物复合强化的w基材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116555653A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117467880A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 核工业西南物理研究院 | 兼具高强高导热性能的烧结钨基材料及其制备方法、应用 |
-
2023
- 2023-05-12 CN CN202310532789.4A patent/CN116555653A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117467880A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 核工业西南物理研究院 | 兼具高强高导热性能的烧结钨基材料及其制备方法、应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | The preparation and the properties of microcrystalline and nanocrystalline CuCr contact materials | |
| CN108421985B (zh) | 一种制备氧化物弥散强化中熵合金的方法 | |
| US6767416B2 (en) | Corrosion resistant, high strength alloy and a method for manufacturing the same | |
| CN109108273B (zh) | NbZrTiTa难熔高熵合金粉末制备方法及NbZrTiTa难熔高熵合金粉末 | |
| CN109252081A (zh) | 一种高熵合金粘结相超细碳化钨硬质合金及其制备方法 | |
| WO2011152359A1 (ja) | セラミックスを含有したチタン合金複合粉およびその製造方法、これを用いた緻密化されたチタン合金材およびその製造方法 | |
| CN102127713B (zh) | 一种双晶结构氧化物弥散强化铁素体钢及制备方法 | |
| CN107974627B (zh) | 一种含铝铁素体ods钢及其制备方法 | |
| CN112063869B (zh) | 一种氢辅粉末冶金钛基复合材料的制备方法 | |
| CN105624447A (zh) | 一种超细晶硬质合金晶粒细化及尺寸分布均匀化的方法 | |
| CN112831733B (zh) | 一种非晶包覆y2o3复合材料及其粉体制备方法 | |
| CN116555653A (zh) | 一种k泡与纳米氧化物复合强化的w基材料及其制备方法 | |
| CN113106281A (zh) | 一种氧化钇掺杂钨基纳米复合粉体及其合金的制备方法 | |
| CN114703391A (zh) | 一种纳米氧化物弥散强化铜合金及其制备方法 | |
| CN109518037A (zh) | 一种SPS制备的Ti-18Mo-xSi合金材料及其制备方法 | |
| CN111763843B (zh) | 一种多元掺杂高比重钨铜镍合金的制备方法及制备的高比重钨铜镍合金 | |
| CN110449580B (zh) | 一种粉末冶金高强韧性含硼高熵合金材料及其制备方法和应用 | |
| CN109694969B (zh) | 一种预合金粉末及添加预合金粉末的TiCN基金属陶瓷复合材料及其制备方法 | |
| CN116970854A (zh) | laves相沉淀强化钨丝及其制备和应用 | |
| CN108262485B (zh) | 一种可添加wc强化相的w基复合粉末的工业化原位合成方法 | |
| CN111334694B (zh) | 一种原生纳米弥散相改性镁合金中lpso结构的方法 | |
| CN112941367B (zh) | 一种纳米氧化物弥散增强耐热锆合金及其制备方法 | |
| CN113136516B (zh) | 一种兼具固溶和弥散强化的钨基材料及其制备方法 | |
| CN111940752A (zh) | 一种超细Fe-Cu合金粉的制备方法 | |
| JPH04362105A (ja) | 金属間化合物微粉末の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |