專(zhuān)利名稱(chēng)：一種原位合成碳化物增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料的制備方法
一種原位合成碳化物增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及聚變堆領(lǐng)域中所用的面向等離子體材料以及其他用于極端環(huán)境下的高熔點(diǎn)難熔金屬材料，屬于粉末冶金技術(shù)，具體提出了一種原位合成碳化物彌散增強(qiáng)鎢復(fù)合材料的制備方法。
技術(shù)背景 鎢具有高熔點(diǎn)、高密度、高強(qiáng)度、高硬度、低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的抗腐蝕性和良好的加工性能等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、化工、軍工武器等領(lǐng)域。隨著鎢的應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，特別是一些尖端科技(如鎢及其鎢合金可用于受控核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER和未來(lái)商業(yè)示范堆DEMO中的面向等離子體材料及其部件)，對(duì)鎢基復(fù)合材料的性能提出了更高的要求，如高的塑性、高的室溫和高溫力學(xué)性能、低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度、高的再結(jié)晶溫度以及優(yōu)異的抗熱沖擊性能等。
為了獲得適用于聚變堆領(lǐng)域中所用的面向等離子體材料以及其他用于極端環(huán)境下的鎢及其鎢合金，國(guó)內(nèi)外材料科研工作者普遍認(rèn)為通過(guò)向鎢中摻入彌散粒子相(y203、La203、TiC、ZrC等)或固溶強(qiáng)化相(T1、Ta、Mo、Re等)可顯著的改善鎢的高溫力學(xué)性能，提高鎢的再結(jié)晶溫度。
通過(guò)碳化物進(jìn)行彌散強(qiáng)化鎢是一種有效改善鎢性能的方法。目前用于鎢基復(fù)合材料的碳化物主要有TiC，ZrC，HfC等。然而，在碳化物彌散強(qiáng)化鎢中，其方法主要是采用納米級(jí)或者微米級(jí)的碳化物(TiC，ZrC, HfC)直接添加進(jìn)鎢粉末中，經(jīng)球磨、燒結(jié)、熱處理等工藝后獲得碳化物顆粒彌散強(qiáng)化的鎢合金材料。在高溫?zé)Y(jié)的過(guò)程中，碳化物彌散粒子主要以顆粒狀的形式存在于鎢基體中，一方面抑制了鎢在高溫下的晶粒粗化，另一方面促進(jìn)了鎢在高溫下的致密化，有效地提高了鎢的力學(xué)強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前制備碳化物彌散增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，通過(guò)采用原位反應(yīng)合成，一方面促進(jìn)鎢的燒結(jié)致密化，另一方面還可以獲得具有納米棒、晶須狀的碳化物，從而更有效的提高鎢的強(qiáng)度，改善鎢合金的韌性的原位合成碳化物增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料的制備方法本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種原位合成碳化物增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料的制備方法，具體工藝為: a、配方:在充有高純Ar氣體的真空手套箱中按照以下質(zhì)量百分比:鎢粉或鎢錸合金粉97 99.5wt%、碳納米管0.1 lwt%、純度為98%的硅粉0 2 wt%和金屬粉末0_6%，進(jìn)行配比；其中，W粉粒度為2 μ m ;碳納米管直徑20 30nm，長(zhǎng)度為5 15 μ m，純度98% ； b、球磨:將按照上述配方稱(chēng)取好的粉體和碳化鎢硬質(zhì)合金球按照球料比為3:1 10:1混合，加入WC硬質(zhì)合金球磨罐中進(jìn)行球磨,球磨轉(zhuǎn)速為250 400r/min，球磨時(shí)間為5 30小時(shí)，球磨的氣氛為真空和氬氣氣氛； C、燒結(jié):將球磨后混合均勻后的粉體，再次置于充有Ar氣體的真空手套箱中裝填入的石墨模具中，采用放電等離子體燒結(jié)，或直接放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400°C 1800°C，加壓方式為單向加壓，施加壓力為20 50MPa，燒結(jié)保溫時(shí)間為Imin lOmin，燒結(jié)氣氛為真空或氬氣氣氛。
進(jìn)一步，所述金屬粉末為金屬鈦粉、鋯粉、鉭粉中的一種或多種，金屬鈦粉、鋯粉、鉭粉所占的質(zhì)量百分比分變?yōu)?Ti 0 2 wt%, Zr 0 2 wt%, Ta 0 2wt%，粒度為-200目。
進(jìn)一步，上述方法燒結(jié)后材料的致密度為97 99%，鎢晶粒的平均粒徑< 3 μ m。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于: 1、通過(guò)球磨工藝使得碳納米管、金屬鈦粉、硅粉、鋯粉或鉭粉與鎢粉均勻混合。在球磨的過(guò)程中，鎢的顆粒尺寸得到一定程度的降低。此外，在球磨的過(guò)程中，碳納米管可與金屬鈦粉、娃粉、錯(cuò)粉或鉭粉發(fā)生反應(yīng),形成棒狀或纖維狀的碳化鈦、碳化娃、碳化錯(cuò)、碳化鉭。
2、通過(guò)在鎢中加入碳納米管和金屬鈦粉、硅粉、鋯粉或鉭粉，在高溫?zé)Y(jié)的過(guò)程中，金屬鈦粉、硅粉、鋯粉或鉭粉可與碳納米管發(fā)生原位反應(yīng)形成碳化鈦、碳化硅、碳化鋯、碳化鉭。一方面可活化鎢的晶格，促進(jìn)鎢在較低的溫度下完成致密化，還可以抑制鎢晶粒在高溫下的晶粒長(zhǎng)大行為，從而獲得細(xì)晶鎢。
3、亞微米級(jí)鎢粉及機(jī)械合金化后的混合粉末在空氣中及燒結(jié)過(guò)程中易與氧反應(yīng)，嚴(yán)重影響鎢基復(fù)合材料 的綜合性能。因此，如何在制備鎢基復(fù)合材料粉末和燒結(jié)過(guò)程中降低氧對(duì)鎢基復(fù)合材料的影響是關(guān)鍵問(wèn)題之一。本發(fā)明可在氬氣或者真空氣氛完成粉末的裝填和球磨，并且在放電等離子體燒結(jié)的過(guò)程中采用真空保護(hù)燒結(jié)，此外，碳納米管的加入可在一定程度上可降低鎢基復(fù)合材料中的氧含量。
4、本發(fā)明優(yōu)化了碳化物彌散增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料的制備工藝。選用碳納米管為模板，在高溫?zé)Y(jié)的過(guò)程中，金屬鈦粉、硅粉、鋯粉或鉭粉可與碳納米管發(fā)生原位反應(yīng)形成具有一維結(jié)構(gòu)(纖維狀、棒狀)的碳化鈦、碳化硅、碳化鋯、碳化鉭纖維、棒材，有效地提高了鎢的高溫強(qiáng)度，改善了鎢的室溫脆性。
5、與熱壓燒結(jié)等相似方法相比，采用機(jī)械合金化和放電等離子體燒結(jié)技術(shù)制備的超細(xì)晶粒鎢基復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能和抗電子束沖擊性，適用于極端環(huán)境下的高熔點(diǎn)難熔金屬材料，如核聚變裝置中的面向等離子體材料等。
具體實(shí)施方式
通過(guò)以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例1:原位合成TiC彌散強(qiáng)化W復(fù)合材料的制備。
按碳納米管0.3%、Ti粉1%的配比稱(chēng)取W粉、碳納米管和Ti粉，放入WC球磨罐中，再加入一定量的WC磨球(球料比為5:1)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300r/min下球磨5 h。然后將球磨后的粉體置于充有Ar氣體的手套箱中，取出球磨后的粉體裝填在直徑20 mm的石墨模具中。上述整個(gè)操作工藝都在氬氣(99.99%)保護(hù)氣氛下完成。經(jīng)1700°C、50 MPa壓力、真空度6 Pa下放電等離子體燒結(jié)lmin，最終獲得具有棒狀晶結(jié)構(gòu)的碳化鈦彌散強(qiáng)化鎢合金。經(jīng)放等離子燒結(jié)后，鎢合金的致密度為99.8 %，顯微維氏硬度為564 HV，抗彎強(qiáng)度為1138MPa，晶粒尺寸約在0.6 μ m左右。
實(shí)施例2:原位合成ZrC彌散強(qiáng)化W復(fù)合材料的制備 按碳納米管和Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 wt%,0.5wt%的質(zhì)量配比稱(chēng)取W粉、碳納米管和Zr粉，放入WC球磨罐中，再加入一定量的WC磨球(球料比為7:1 )，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為350 r/min下高能球磨10 h。然后將球磨后的粉體置于充有Ar氣體的手套箱中，取出球磨后的粉體裝填在直徑20 mm的石墨模具中。上述整個(gè)操作工藝都在氬氣(99.99%)保護(hù)氣氛下完成。經(jīng)1700°C,50 MPa壓力、真空度6 Pa下放電等離子體燒結(jié)lmin，最終獲得具有棒狀晶結(jié)構(gòu)的碳化鋯彌散強(qiáng)化鎢合金。經(jīng)放等離子燒結(jié)后，鎢合金的致密度為99.6 %，顯微維氏硬度為532 HV，抗彎強(qiáng)度為1064MPa，晶粒尺寸約在I μ m左右。
實(shí)施例3:原位合成SiC彌散強(qiáng)化W復(fù)合材料的制備 按碳納米管和Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5wt%, 2 wt%的質(zhì)量配比稱(chēng)取W粉、碳納米管和Si粉，放入WC球磨罐中，再加入一定量的WC磨球(球料比為9:1 )，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為250r/min下高能球磨30h。然后將機(jī)械合金化后的粉體置于充有Ar氣體的手套箱中，取出高能球磨后的粉體裝填在直徑20mm的石墨模具中。上述整個(gè)操作工藝都在氬氣(99.99%)保護(hù)氣氛下完成。經(jīng)1700°C、50MPa壓力、真空度6Pa下放電等離子體燒結(jié)lmin，最終獲得具有纖維狀結(jié)構(gòu)的碳化硅彌散強(qiáng)化鎢合金。經(jīng)放等離子燒結(jié)后，鎢合金的致密度為99.2 %，顯微維氏硬度為486 HV,抗彎強(qiáng)度為1064MPa，晶粒尺寸約在2 μ m左右。
實(shí)施例4:原位合成TaC彌散強(qiáng)化W復(fù)合材料的制備 按碳納米管和Ta的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3wt%, 2wt%的質(zhì)量配比稱(chēng)取W粉、碳納米管和Ta粉，放入WC球磨罐中，再加入一定量的WC磨球(球料比為10:1 )，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為380r/min下高能球磨20h。然后將高能球磨后的粉體置于充有Ar氣體的手套箱中，取出高能球磨后的粉體裝填在直徑20mm的石墨模具中。上述整個(gè)操作工藝都在氬氣(99.99%)保護(hù)氣氛下完成。再經(jīng)1700°C、50MPa壓力、真空度6Pa下放電等離子體燒結(jié)Imin，最終獲得具有纖維狀結(jié)構(gòu)的碳化鉭彌散強(qiáng)化鎢合金。經(jīng)放等離子燒結(jié)后，鎢合金的致密度為99.5 %，顯微維氏硬度為486 HV,抗彎強(qiáng)度為986 MPa,晶粒尺寸約在2 μ m左右。
實(shí)施例5:原位合成TiC和ZrC彌散復(fù)合強(qiáng)化W復(fù)合材料的制備。
按碳納米管，Ti和Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3 wt%, 0.5wt%, 0.5wt%的質(zhì)量配比稱(chēng)取W粉、碳納米管、Ti和Zr粉，放入WC球磨罐中，再加入一定量的WC磨球(球料比為5:1)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為400r/min下高能球磨30h。然后將高能球磨后的粉體置于充有Ar氣體的手套箱中，取出適 量的粉體裝填在直徑20 mm的石墨模具中。上述整個(gè)操作工藝都在氬氣(99.99%)保護(hù)氣氛下完成。經(jīng)1700°C、50MPa壓力、真空度6Pa下放電等離子體燒結(jié)lmin，最終獲得TiC和ZrC復(fù)合彌散強(qiáng)化的鎢合金，其中，TiC和ZrC為長(zhǎng)棒狀或者纖維狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)放等離子燒結(jié)后，鎢合金的致密度為99.6 %，顯微維氏硬度為519 HV，抗彎強(qiáng)度為1286MPa,晶粒尺寸約在I μ m左右。
權(quán)利要求
1.一種原位合成碳化物增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，具體工藝為: 配方:在充有高純Ar氣體的真空手套箱中按照以下質(zhì)量百分比:鎢粉或鎢錸合金粉97 99.5wt%、碳納米管0.1 lwt%、純度為98%的硅粉0 2 wt%和金屬粉末0_6%，進(jìn)行配比；其中，W粉粒度為2 μ m ;碳納米管直徑20 30nm，長(zhǎng)度為5 15 μ m，純度98% ； b、球磨:將按照上述配方稱(chēng)取好的粉體和碳化鎢硬質(zhì)合金球按照球料比為3:1 10:1混合，加入WC硬質(zhì)合金球磨罐中進(jìn)行球磨,球磨轉(zhuǎn)速為250 400r/min，球磨時(shí)間為5 30小時(shí)，球磨的氣氛為真空或氬氣氣氛； C、燒結(jié):將球磨后混合均勻后的粉體，再次置于充有Ar氣體的真空手套箱中裝填入的石墨模具中，采用放電等離子體燒結(jié)，或直接放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400°C 1800°C，加壓方式為單向加壓，施加壓力為20 50MPa，燒結(jié)保溫時(shí)間為Imin lOmin，燒結(jié)氣氛為真空或氬氣氣氛。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位合成碳化物增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述金屬粉末為金屬鈦粉、鋯粉、鉭粉中的一種或多種，金屬鈦粉、鋯粉、鉭粉所占的質(zhì)量百分比分變?yōu)?Ti 0 2 wt%, Zr 0 2 wt%, Ta 0 2wt%，粒度為-200目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:燒結(jié)后材料的致密度為97 99%，鎢晶粒的平均粒徑< 3 μ m 。
全文摘要
本發(fā)明一種原位合成碳化物增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料的制備方法。在充有高純Ar氣體的真空手套箱中將鎢粉或鎢錸合金粉97～99.5wt%、碳納米管0.1～1wt%、硅粉0～2wt%和金屬粉末0-6wt%，進(jìn)行配比；按照球料比為3:1～10:1混合，加入WC硬質(zhì)合金球磨罐中進(jìn)行球磨，轉(zhuǎn)速為250～400r/min，時(shí)間為5～30小時(shí)，將球磨后混合均勻后的粉體進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400～1800℃，單向加壓，壓力為20～50MPa，燒結(jié)保溫時(shí)間為1～10min，燒結(jié)氣氛為真空或氬氣。該碳化物彌散增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料的鎢晶粒尺寸≤3μm，并具有較好的導(dǎo)熱和高溫力學(xué)性能，可用作極端環(huán)境下的結(jié)構(gòu)材料。
文檔編號(hào)C22C1/05GK103173670SQ20131012105
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者周張健, 談軍, 丁慶明 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)