一種納米結構鎢-碳化鋯合金及其製備方法
2023-09-15 12:33:10 2
一種納米結構鎢-碳化鋯合金及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種納米結構鎢-碳化鋯合金，合金中各組分的重量百分比為：金屬鎢 98～99.8%，粒徑為5-300nm的碳化鋯0.2～2.0%，碳化鋯顆粒大多均勻分布在鎢晶粒內部。本發明還公開了該一種合金的製造方法。本發明製備的合金的力學性能和高溫穩定性能好，碳化鋯納米顆粒可均勻分布到鎢晶粒的內部，避免了粗大顆粒在鎢晶粒處產生的應力集中和脆化，既能夠通過釘扎位錯、提高強度和高溫性能，同時又保證了韌性。
【專利說明】一種納米結構鎢-碳化鋯合金及其製備方法
[0001]
【技術領域】
本發明屬於材料科學【技術領域】，具體涉及一種納米結構鎢-碳化鋯合金，本發明還涉及該合金的製造方法。
【背景技術】
[0002]金屬鎢由於其高的熔點(約34100、高的高溫力學性能，廣泛用於高溫部件、照明、國防等領域，此外還具有熱膨脹係數低、抗濺射等優點，是最有希望的聚變堆候選壁材料。然而，鎢存在低溫脆性和再結晶脆性等缺點，導致其容易發生脆斷且難以加工成型，影響了其應用範圍。此外，純鎢的強度會隨溫度的升高而明晰降低，而且純鎢在高溫下還會發生再結晶而脆化。
[0003]人們為了改善金屬鎢的強度和韌性，作了一些嘗試和努力，如在鎢中添加高熔點第二相顆粒，如碳化鈦、碳化鋯、氧化鑭、氧化釔等，能夠起到彌散強化和細化鎢晶粒的作用，可以提高鎢的高溫強度和再結晶溫度，但是卻使鎢的韌性降低。其主要原因是，這些顆粒的尺寸大，而且大多分布在晶界處，會導致應力集中，容易成為裂紋的起始點，從而影響韌性。
[0004]111^111 胃冊8 發表的題為 「0？011 1:116 616^81:6(11:61111)61'&1:111-0 1:6118116 0？ 001111)0811:68^, 80161106 811(1
^))528 (2011)1805-1811 (「叾冗含量對2冗顆粒/鎢複合材料高溫拉伸性能的影響」，《材料科學與工程八》，2011年第525卷，1805-1811頁)上報導的2冗顆粒增強的鎢材料中，21-0的粒徑為微米級別，21-0的添加量為20飛0%體積分數，有利於降低熱導率和高溫抗燒蝕性能，但是其韌性很低。
[0005]又如周玉等在專利(^99120173中公開了一種碳化鋯顆粒增強鎢複合材料的製備方法，碳化物顆粒的體積分數為10%?50%，可以改善鎢的高溫強度、抗氧化和耐燒蝕能力，同時具有低的熱導率，但碳化物顆粒含量高且尺寸大，導致韌性降低。不適合要求材料有良好韌性、高溫強度和高熱導率的應用領域。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題為克服現有技術中的不足之處，提供一種高強高韌且高溫穩定的納米結構鶴~碳化錯合金。
[0007]本發明要解決的另一個技術問題為提供一種上述納米結構鎢-碳化鋯合金的製備方法。
[0008]一種納米結構鎢-碳化鋯合金，合金中各組分的重量百分比為:
金屬鎢 98?99.8%
碳化鋯 0.2?2.0%，
所述碳化錯顆粒粒徑為5-30011111，所述碳化錯顆粒大多均勻分布在鶴晶粒內部。
[0009]進一步地，當上述碳化錯的粒徑511111^10011111時，更能體現出合金的優異物理性能。
[0010]為解決本發明的另一個技術問題，所採用的另一個技術方案為:上述納米結構鎢-碳化鋯合金的製備方法由粉末冶金法組成，包括如下步驟:
1)、混合步驟，包括溼法混合和幹法混合:
按照重量百分比為98.0?99.8%:0.2?2.0%的比例，將金屬鎢粉體和碳化鋯粉體混合均勻，得到混合物45%以上；碳化鋯粉體的粒徑? 300=%純度最好在98%以上；其中粉體混合可以採用球磨機、混料機或者研磨，粉體的混合最好在氬氣、氮氣、? 10？3的真空或者於酒精介質中溼法進行；
直接熱壓燒結成型步驟:
於溫度1600?23001下熱壓燒結成型；
加工步驟:
將步驟2)燒結成型後的鎢塊體在800?16001熱塑性變形加工，製得納米結構鎢-碳化鋯合金。
[0011]進一步地，上述步驟2)的燒結成型為在壓力100?2001%、溫度1600?23001
下熱等靜壓燒結成型。
[0012]或者，上述步驟2)的燒結成型為在壓力20?70腿^、溫度1600?23001下放電等離子燒結成型。
[0013]另外，上述步驟2)為也可為先冷壓後再燒結成型，具體如下:
將步驟1)的混合物粉體在壓力為300?6001？3下冷壓製成生坯；
再將冷壓製成的生坯置於保護性氣氛或真空度為彡10？3的真空中，於1600?23001下燒結成型。
[0014]上述保護性氣氛為氫氣氣氛，或氮氣氣氛，或氬氣氣氛；除使保護性氣體可供選擇的餘地較大之外，也便於製備工藝的實施。
[0015]上述真空的真空度為彡10？3。
[0016]上述熱塑性變形加工為熱軋、旋鍛、鍛造或拉拔，可有利於進一步提高材料的性倉泛。
[0017]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
本發明鎢-碳化鋯合金的力學性能和高溫穩定性能好，碳化鋯納米顆粒可均勻分布到鎢晶粒的內部，避免了粗大顆粒在鎢晶粒處產生的應力集中和脆化，既能夠通過釘扎位錯、提高強度和高溫性能，同時又保證了韌性。本發明的製備方法簡單、科學、高效，不僅製得了納米結構的鎢-碳化鋯合金，還使合金的韌脆轉變溫度大幅降低，同時也具有較高的高溫強度和韌性及高溫穩定性的優異性能，可望在高溫部件、航空太空飛行器件、耐高溫容器及聚變反應堆壁材料等方面得到應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]下面結合附圖對本發明的優選方式作進一步詳細的描述。
[0019]圖1為本發明納米結構鎢-碳化鋯合金的透射電鏡(121)圖；
圖2為本發明納米結構鎢-碳化鋯合金的拉伸性能曲線。
【具體實施方式】
[0020]首先從市場購得或用常規方法製得:
粒徑< 5 μ m的金屬鶴粉體；粒徑< 300nm的碳化錯粉體；
作為保護性氣體的氫氣氣體、氮氣氣體、氬氣氣體。
[0021]實施例1
製備的具體步驟為:
步驟1，按照重量百分比為99.8wt%:0.2wt%的比例，將金屬鎢粉體和碳化鋯粉體置於氬氣氣氛中球磨混合均勻，得到混合物；其中，金屬鎢粉體的粒徑為0.2 μ m，碳化鋯粉體的粒徑為10nm。
[0022]步驟2，先將混合物置於壓力為300MPa下壓製成生坯，再將生坯置於氫氣氣氛(或真空度為彡1Pa的真空)中，於1500°C下燒結成型。
[0023]步驟2也可釆取直接熱壓成型工藝，具體如下:
將混合物置於氫氣氣氛(或真空度為彡1Pa的真空)中，於壓力為lOOMPa、溫度為1500°C下熱等靜壓燒結成型。
[0024]或者，將混合物置於氫氣氣氛(或真空度為彡1Pa的真空)中，於壓力為30MPa、溫度為1500°C下放電等離子燒結成型。
[0025]對本實施例製得的產物進行透射電鏡，如圖1所示，表明碳化鋯顆粒的平均粒徑約lOOnm，且大多分布在鎢晶粒內部，目標產物緻密、無裂紋。
[0026]對本實施例製得的產物進行力學性能和高溫穩定性測試，結果如下:
使用材料試驗機進行不同溫度的拉伸試驗，如圖2所示，試驗時應變速率恆定為2X ΙΟ?測得目標產物在200°C的拉伸強度為710MPa，延伸率約為4%，說明該材料在200°C已經具有塑性，相對工業純鎢有較大提升；在500°C的拉伸強度為550MPa，延伸率達到 28%ο
[0027]高溫穩定性測試:目標產物在1700°C保溫I小時仍能夠保持結構穩定，碳化鋯顆粒不長大；目標產物在高溫強度、延伸率方面均優於純鎢，而且出現韌性的溫度也低於純鎢。
[0028]實施例2
製備的具體步驟為:
步驟1，按照重量百分比為98.5wt%:l.5wt%的比例，將金屬鎢粉體和碳化鋯粉體在酒精中球磨混合均勻；其中，金屬鎢粉體的粒徑為0.6 μ m，碳化鋯粉體的粒徑為50nm，在氬氣氣氛中球磨混合，得到混合物。
[0029]步驟2，先將混合物置於壓力為300MPa下壓製成生坯，再將生坯置於氫氣氣氛或真空中，於1675°C下燒結成型；
步驟2也可釆取直接熱壓成型工藝，具體如下:
將混合物置於氫氣氣氛或真空氣氛中，於壓力為130MPa、溫度為1625°C下熱等靜壓燒結成型；
或者，將混合物置於氫氣氣氛或真空氣氛中，於壓力為40MPa、溫度為1825°C下放電等離子燒結成型。
[0030]實施例3
製備的具體步驟為: 步驟I，按照重量百分比為99.00wt%:l.0wt%的比例，將金屬鎢粉體和碳化鋯粉在氮氣氣氛中用混料機混合均勻，得到混合物；其中，金屬鎢粉體的粒徑為lym，碳化鋯粉體的粒徑為lOOnm。
[0031]步驟2，先將混合物置於壓力為400MPa下壓製成生坯，再將生坯置於氫氣氣氛中，於2300°C下燒結成型；
步驟2也可釆取直接熱壓成型工藝，具體如下:
將混合物置於氬氣氣氛中，於壓力為150MPa、溫度為2000°C下熱等靜壓燒結成型；或者，將混合物置於氬氣氣氛或真空中，於壓力為50MPa、溫度為1750°C下放電等離子燒結成型。
[0032]實施例4 製備的具體步驟為:
步驟I，按照重量百分比為99.5wt%:0.5wt%的比例，將金屬鎢粉體和碳化鋯粉在空氣中研磨混合均勻；其中，金屬鎢粉體的粒徑為3 μ m，碳化鋯粉體的粒徑為300nm。
[0033]步驟2，先將混合物置於壓力為500MPa下壓製成生坯，再將生坯置於氫氣氣氛中，於2025°C下燒結成型；
步驟2也可釆取直接熱壓成型工藝，具體如下:
將混合物置於氬氣氣氛中，於壓力為180MPa、溫度為1875°C下熱等靜壓燒結成型；或者，將混合物置於氬氣氣氛(或真空度為彡1Pa的真空)中，於壓力為60MPa、溫度為1875°C下熱壓燒結成型。
[0034]實施例5
製備的具體步驟為:
步驟1，按照重量百分比為99.5wt%:0.5wt%的比例，將金屬鎢粉體和碳化鋯粉在酒精中混合均勻,得到混合物；其中，金屬鎢粉體的粒徑為I μ m，碳化鋯粉體的粒徑為lOOnm。
[0035]步驟2，先將混合物置於壓力為600MPa下壓製成生坯，再將生坯置於氫氣氣氛或真空氣氛中，於2200°C下燒結成型；
步驟2也可釆取直接熱壓成型工藝，具體如下:
將混合物置於氬氣氣氛或真空氣氛中，於壓力為200MPa、溫度為2000°C下熱等靜壓燒結成型；
或者，將混合物置於氫氣或真空氣氛中，於壓力為70MPa、溫度為2000°C下熱壓燒結成型。
[0036]再分別選用作為保護性氣體的氮氣氣體，或氬氣氣體，重複上述實施例1?5，同樣製得製得近似於圖1所示的鎢-碳化鋯合金。
[0037]若為獲得較高品質的目標產物，可再將燒結成型後的鎢-碳化鋯合金進行高溫熱塑性變形，如熱軋、旋鍛、鍛造、擠壓或拉拔等。
[0038]儘管上文對本發明的【具體實施方式】給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，我們可以依據本發明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作用仍未超出說明書所涵蓋的精神時，均應在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種納米結構鎢-碳化鋯合金，其特徵在於:所述合金中各組分的重量百分比為: 金屬鎢 98?99.8% 碳化鋯 0.2?2.0%， 所述碳化錯顆粒粒徑為5-300nm, 所述碳化鋯顆粒大多均勻分布在鎢晶粒內部。
2.—種納米結構鎢-碳化鋯合金的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟: 1)混合 將粒徑為0.2-5 μ m的金屬鎢粉體和粒徑為5-300nm的碳化鋯粉體按照重量百分比分別為98?99.8%和0.2?2.0%的比例稱取，置於氬氣、氮氣、酒精中或彡1Pa的真空中混合均勻； 2)熱壓燒結成型 在溫度1600?2300°C下熱壓燒結成型； 3)加工 將步驟2)燒結成型後的鎢塊體在800?1600°C熱塑性變形加工，製得納米結構鎢-碳化鋯合金。
3.根據權利要求2所述的一種納米結構鎢-碳化鋯合金的製備方法，其特徵在於:所述步驟2)的燒結成型為在壓力100?200Mpa、溫度1600?2300°C下熱等靜壓燒結成型。
4.根據權利要求2所述的一種納米結構鎢-碳化鋯合金的製備方法，其特徵在於:所述步驟2)的燒結成型為在壓力20?70MPa、溫度1600?2300°C下放電等離子燒結成型。
5.根據權利要求2所述的一種納米結構鎢-碳化鋯合金的製備方法，其特徵在於，所述步驟2)為先冷壓後再燒結成型: 將步驟I)的混合物粉體在壓力為300?600MPa下冷壓製成生坯； 再將冷壓製成的生坯置於保護性氣氛或真空度為彡1Pa的真空中，於1600?2300°C下燒結成型。
6.根據權利要求2所述的一種納米結構鎢-碳化鋯合金的製備方法，其特徵在於:所述步驟4)的熱塑性變形加工為熱軋、旋鍛、鍛造、擠壓或拉拔。
【文檔編號】C22C1/05GK104388789SQ201410553021
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月17日 優先權日:2014年10月17日
【發明者】劉瑞, 謝卓明, 方前鋒, 張濤, 王先平, 郝汀 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院