一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鎢基復(fù)合材料以及制備方法，具體地說是一種具有優(yōu)異高溫力學(xué)性能的鎢-氧化釔復(fù)合材料及其制備方法。

二、

背景技術(shù)：

面向等離子體材料(pfm，plasmafacingmaterials)及部件面臨著極強(qiáng)的熱負(fù)荷、等離子體暴露和中子輻照的服役環(huán)境。等離子體的沖刷會(huì)導(dǎo)致材料表面發(fā)生顯著的變化，如起泡、起絲和刻蝕等；注入材料的h、he等粒子也會(huì)被材料內(nèi)部缺陷捕獲并進(jìn)行一系列的衍化，導(dǎo)致滯留；輻照缺陷會(huì)降低材料力學(xué)性能，進(jìn)而縮短部件服役壽命，缺陷還會(huì)與燃料產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致嚴(yán)重的滯留和滲透問題。因此，發(fā)展適合于先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克(east)、國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(iter)和中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(cfetr)長(zhǎng)脈沖高參數(shù)運(yùn)行乃至未來聚變反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的高性能pfm是當(dāng)前核聚變研究一項(xiàng)艱巨而又緊迫的任務(wù)。

鎢因其高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱率、低濺射腐蝕速率、高自濺射閥值以及低蒸氣壓和低氚滯留等優(yōu)異性能，被認(rèn)為是聚變裝置最具有前景的面對(duì)等離子體第一壁材料。iter已確定了一條從be/c/w到be/w最后變成全w-pfm的路線。east也確定了逐步從現(xiàn)在下偏濾器w到全w-pfm發(fā)展方向。在以后聚變堆裝置設(shè)計(jì)中，全w-pfm概念已經(jīng)成為共識(shí)。然而，w存在很多脆性問題：低溫脆性、再結(jié)晶脆性和輻照脆性等。為了解決這些問題，一般在w基體中添加第二相(如稀土氧化物和碳化物)對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化。一般用球磨制備超細(xì)w/第二相復(fù)合粉末，然而，在這種球磨過程中容易引入雜質(zhì)，嚴(yán)重影響w基材料的性能，不能滿足面對(duì)等離子體第一壁材料的應(yīng)用。

三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種具有優(yōu)異高溫力學(xué)性能的鎢-氧化釔復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明采用液-液摻雜技術(shù)獲得w-y2o3復(fù)合粉體，以解決球磨過程中引入雜質(zhì)、嚴(yán)重影響w基材料的性能等問題。本發(fā)明方法制備出的，在燒結(jié)時(shí)可以使材料低溫致密化，且y2o3的彌散分布可以強(qiáng)化w基體，使制備的超細(xì)w-y2o3復(fù)合粉體獲得優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。

本發(fā)明具有優(yōu)異高溫力學(xué)性能的鎢-氧化釔復(fù)合材料，是由w和稀土氧化物y2o3組成，其中w的體積百分比為96-98％，余量為y2o3。

本發(fā)明具有優(yōu)異高溫力學(xué)性能的鎢-氧化釔復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：復(fù)合粉體的制備

將仲鎢酸銨(apt，aladdin，純度≥99.95％)和硝酸釔(y(no3)3·6h2o,aladdin,純度≥99.5％)溶解在去離子水中得到透明溶液，將沉淀劑草酸(分析純，c2h2o4·2h2o)加入透明溶液中，在180-200℃下不斷攪拌直至獲得w-y2o3前驅(qū)體粉末；將所得w-y2o3前驅(qū)體粉末研磨后置于管式爐中，在氫氣氣氛下還原，獲得w-y2o3復(fù)合粉體；

仲鎢酸銨和硝酸釔的比例，以y2o3的體積分?jǐn)?shù)計(jì)為2-4％。

所述氫氣氣氛中h2的含量≥99.999％，還原溫度為780-820℃，還原時(shí)間為2-3小時(shí)。

還原后獲得的w-y2o3復(fù)合粉體的粒徑為0.5-3μm。

仲鎢酸銨與沉淀劑草酸的質(zhì)量比為4:1。

步驟2：壓制燒結(jié)軋制

將所述w-y2o3復(fù)合粉體在500-600mpa下壓制得到壓坯，然后將所述壓坯置于中頻感應(yīng)加熱爐中，在h2保護(hù)下于1900-2100℃燒結(jié)100-120分鐘，然后再于1580-1620℃下經(jīng)50-67％的軋制變形，得到w-y2o3復(fù)合材料。

本發(fā)明首先采用液-液摻雜技術(shù)獲得超細(xì)w-y2o3復(fù)合粉體，隨后經(jīng)壓制燒結(jié)軋制后得到的w-y2o3復(fù)合材料。

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

在本發(fā)明限定的原料配比下，采用液-液摻雜技術(shù)制備w-y2o3復(fù)合粉體，與目前球磨法超細(xì)w/第二相復(fù)合粉體的制備方法相比，液-液摻雜技術(shù)制備w-y2o3復(fù)合粉體，其可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，不會(huì)引入雜質(zhì)，以滿足不同條件下w-y2o3復(fù)合材料的性能要求。

本發(fā)明所制備的w-y2o3復(fù)合材料相對(duì)密度達(dá)99.0％以上，300℃延伸率達(dá)6-14％，抗拉強(qiáng)度450-520mpa；600℃延伸率達(dá)46-52％，抗拉強(qiáng)度330-420mpa，優(yōu)于純鎢材料(300℃延伸率0％，抗拉強(qiáng)度510mpa；600℃延伸率15％，抗拉強(qiáng)度360mpa)。本發(fā)明w-y2o3復(fù)合材料在高溫段表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，推廣應(yīng)用必將帶來重大的經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

四、附圖說明

圖1是w-y2o3復(fù)合粉體的fe-sem。由圖1可知，本發(fā)明方法制備出的w-y2o3復(fù)合粉體顆粒均勻，粒度大約1μm，且純度大于99.6％。

圖2是w-y2o3復(fù)合材料的fe-sem。從圖2可見，y2o3均勻分布在鎢基體晶界和晶內(nèi)，y2o3顆粒的均勻分布于鎢基體晶界和晶內(nèi)，有利于w-y2o3復(fù)合材料高溫力學(xué)性能的改善。

圖3是w-y2o3工程應(yīng)力-應(yīng)變圖。從圖3可見，300℃延伸率達(dá)6％，抗拉強(qiáng)度460mpa；600℃延伸率達(dá)47％，抗拉強(qiáng)度340mpa。

五、具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

1、w-y2o3復(fù)合粉體的制備

以仲鎢酸銨(apt，aladdin，純度≥99.95％)和硝酸釔(y(no3)3·6h2o,aladdin,純度≥99.5％)為原料，添加的y2o3的體積分?jǐn)?shù)為2％。

將仲鎢酸銨和硝酸釔溶解在去離子水中得到透明溶液，將沉淀劑草酸(仲鎢酸銨與草酸的質(zhì)量比為4:1)加入透明溶液中，在180℃油浴下不斷攪拌直至獲得w-y2o3前驅(qū)體粉末；將所得w-y2o3前驅(qū)體粉末研磨后置于管式爐中，在氫氣氣氛下還原，獲得w-y2o3復(fù)合粉體；氫氣氣氛中h2的含量≥99.999％，還原溫度為780℃，還原時(shí)間為3小時(shí)。還原后所得w-y2o3復(fù)合粉體粒徑為0.5μm。

2、壓制燒結(jié)軋制過程

將所述w-y2o3復(fù)合粉體在500mpa下壓制得到壓坯，然后將所述壓坯置于中頻感應(yīng)加熱爐中，在h2保護(hù)下于1900℃燒結(jié)120分鐘，然后再于1580℃下經(jīng)50％的軋制變形，得到w-y2o3復(fù)合材料。

本實(shí)施例所制備的w-y2o3復(fù)合粉體，與目前球磨法超細(xì)w/第二相復(fù)合粉體的制備方法相比，可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，不會(huì)引入雜質(zhì)。

本實(shí)施例所制備的w-y2o3復(fù)合材料相對(duì)密度達(dá)99.0％以上，300℃延伸率達(dá)6％，抗拉強(qiáng)度450mpa；600℃延伸率達(dá)46％，抗拉強(qiáng)度330mpa。

實(shí)施例2：

1、w-y2o3復(fù)合粉體制備

以仲鎢酸銨(apt，aladdin，純度≥99.95％)和硝酸釔(y(no3)3·6h2o,aladdin,純度≥99.5％)為原料，添加的y2o3的體積分?jǐn)?shù)為3％。

將仲鎢酸銨和硝酸釔溶解在去離子水中得到透明溶液，將沉淀劑草酸(仲鎢酸銨與草酸的質(zhì)量比為4:1)加入透明溶液中，在190℃油浴下不斷攪拌直至獲得w-y2o3前驅(qū)體粉末；將所得w-y2o3前驅(qū)體粉末研磨后置于管式爐中，在氫氣氣氛下還原，獲得w-y2o3復(fù)合粉體；氫氣氣氛中h2的含量≥99.999％，還原溫度為800℃，還原時(shí)間為2.5小時(shí)。還原后所得w-y2o3復(fù)合粉體粒徑為2μm。

2、壓制燒結(jié)軋制過程

將所述w-y2o3復(fù)合粉體在550mpa下壓制得到壓坯，然后將所述壓坯置于中頻感應(yīng)加熱爐中，在h2保護(hù)下于2000℃燒結(jié)110分鐘，然后再于1600℃下經(jīng)50％的軋制變形，得到w-y2o3復(fù)合材料。

本實(shí)施例所制備的w-y2o3復(fù)合粉體，與目前球磨法超細(xì)w/第二相復(fù)合粉體的制備方法相比，可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，不會(huì)引入雜質(zhì)。

本實(shí)施例所制備的w-y2o3復(fù)合材料相對(duì)密度達(dá)99.0％以上，300℃延伸率達(dá)10％，抗拉強(qiáng)度480mpa；600℃延伸率達(dá)50％，抗拉強(qiáng)度390mpa。

實(shí)施例3：

1、w-y2o3復(fù)合粉體制備

以仲鎢酸銨(apt，aladdin，純度≥99.95％)和硝酸釔(y(no3)3·6h2o,aladdin,純度≥99.5％)為原料，添加的y2o3的體積分?jǐn)?shù)為4％。

將仲鎢酸銨和硝酸釔溶解在去離子水中得到透明溶液，將沉淀劑草酸(仲鎢酸銨與草酸的質(zhì)量比為4:1)加入透明溶液中，在200℃油浴下不斷攪拌直至獲得w-y2o3前驅(qū)體粉末；將所得w-y2o3前驅(qū)體粉末研磨后置于管式爐中，在氫氣氣氛下還原，獲得w-y2o3復(fù)合粉體；氫氣氣氛中h2的含量≥99.999％，還原溫度為820℃，還原時(shí)間為2小時(shí)。還原后所得w-y2o3復(fù)合粉體粒徑為3μm。

2、壓制燒結(jié)軋制過程

將所述w-y2o3復(fù)合粉體在600mpa下壓制得到壓坯，然后將所述壓坯置于中頻感應(yīng)加熱爐中，在h2保護(hù)下于2100℃燒結(jié)100分鐘，然后再于1620℃下經(jīng)67％的軋制變形，得到w-y2o3復(fù)合材料。

本實(shí)施例所制備的w-y2o3復(fù)合粉體，與目前球磨法超細(xì)w/第二相復(fù)合粉體的制備方法相比，可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，不會(huì)引入雜質(zhì)。

本實(shí)施例所制備的w-y2o3復(fù)合材料相對(duì)密度達(dá)99.0％以上，300℃延伸率達(dá)14％，抗拉強(qiáng)度520mpa；600℃延伸率達(dá)52％，抗拉強(qiáng)度420mpa。