專利名稱：摻雜鎢基復合材料第一壁部件及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種新型摻雜鎢基復合材料，具體涉及一種摻雜鎢基復合材料第一壁 部件及其制備方法，屬機械熱處理加工技術領域。
背景技術：
核聚變實驗裝置第一壁部件有面對等離子體材料(PFM)與熱沉材料組成。PFM直 接面對高溫聚變等離子體，在等離子體與其表面相互作用過程中直接承受高熱負荷、高粒 子通量和中子負載的作用。為了實現長脈沖、高參數等離子體實驗的要求，PFM要能夠承受 巨大的等離子體熱負荷、可靠地排出所沉積的功率負荷，并且有效地控制進入等離子體的 雜質，以實現等離子體的安全穩態運行。因此，PFM應該具有以下特點壽命長、對等離子體 污染小、與等離子體運行環境的相容性好、材料易加工和成本低等。目前，PFM材料主要有 碳基低Z材料和鎢基高 Z材料。碳基材料熔點高、熱導高、與等離子體相容性好，優良的抗 熱沖擊性和疲勞性能，特別是高能量、強粒子流等異常事件中優點更突出。但是，在核聚變 發電要求的長脈沖、高功率放電的基本要求下，必然導致越來越高的能量沉積到面對等離 子體材料上，其結果是較高的碳材料濺射腐蝕產額和燃料粒子在其內部滯留，這對于等離 子體的高參數、準穩態運行是極為不利的。因此，在國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)設計中，碳材料僅被用在偏濾器內外垂直 靶板等離子體轟擊處。鎢(W)由于其熔點高、抗濺射能力強、低燃料滯留量、不與氫及其同 位素反應等優點而被認為是最適合的面對等離子體材料。ITER氘氚反應運行階段，鎢將是 PFM的首選材料。但是，鎢材料一個缺點是韌脆轉變溫度(DBTT)較高(100-400°C)，經歷重 結晶和中子輻射后，韌脆轉變溫度會繼續提高，而且W等VI A族元素的晶界結合力非常小， 在重結晶溫度時晶界首先產生裂紋，進而可能出現裂紋的擴展、面對等離子體材料的失效。 因此，如何提高鎢材料的熱力學性能和承受等離子體轟擊的服役性能是鎢PFM研究的重要 課題。

發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足之處，提供一種摻雜鎢基復合材料第 一壁部件及其制備方法，第一壁部件由面對等離子體材料和熱沉材料組成，所述的面對等 離子體材料為碳化鈦(TiC)、錸(Re)摻雜鎢基復合材料，所述的熱沉材料為銅合金或低活 化不銹鋼。將面對等離子體材料碳化鈦、錸和鎢粉混合球磨后，經冷壓成塊，真空熱壓燒結 成型，再焊按到熱沉材料銅合金或不銹鋼上。該第一壁部件有較好的熱力學性能，能夠承 受大熱流、高能量粒子沖擊，可以應用到長脈沖、大功率的聚變實驗裝置及未來聚變商用堆 上。本發明是以如下技術方案實現的一種摻雜鎢基復合材料第一壁部件，其特征是 第一壁部件由面對等離子體材料和熱沉材料組成，所述的面對等離子體材料為碳化鈦、錸 摻雜鎢基復合材料，所述的熱沉材料為銅合金或低活化不銹鋼。
所述的面對等離子材料各組份質量份為碳化鈦0.5-5%，錸質3-10%，鎢質85% -96.5% ；優選的質量份為碳化鈦1%，錸5%，鎢94%。一種制備摻雜鎢基復合材料第一壁部件的方法，其特征是將面對等離子體材料 碳化鈦、錸和鎢粉混合球磨后，經冷壓成塊，真空熱壓燒結成型，再焊接到熱沉材料銅合金 或不銹鋼上。所述的球磨過程中使用的球墨罐材質為硬質合金，磨球材質為鎢，氮氣為球磨保 護氣體，球磨時間20-50小時，球磨轉速200-500轉/分鐘，球料比10 1-15 1 ；所述 的冷壓壓力為100-200Mpa，持續時間5-10分鐘；熱壓壓力20_40Mpa，燒結溫度1800-2000 攝氏度，燒結時間1-2小時；摻雜鎢基面對等離子體復合材料厚度5-10mm ；所述的碳化鈦、 錸摻雜鎢基面對等離子體材料燒結成型后焊接到銅合金或不銹鋼熱沉材料上，焊接溫度 900-1000攝氏度，壓力lOMpa，持續時間15-30分鐘。制備高質量的摻雜鎢基復合材料第一壁部件關鍵技術之一在于碳化鈦、錸和鎢粉 混合球磨參數(球磨時間、球磨轉速、球料比)的選擇(1)球磨時間，只有足夠長的時間才 能保證混合粉末混合均勻，隨著球磨時間延長，粉末顆粒越細，這有助于增強復合材料斷裂 臨界應力。但是，球磨時間過長球磨所增加的能量轉化為晶粒的再結合能使晶粒長大和熱 能使粉末溫度升高；(2)球磨轉速，轉速過小，磨球之間的碰撞沖擊力度不夠、碰撞頻率小， 不利于粉碎顆粒。轉速過大，磨球之間以及磨球與球磨罐之間頻繁碰撞導致粉末中雜質增 力口，同時也不利于粉末溫度的控制；(3)球料比，球料比的增加，磨球間頻繁碰撞產生更大 的沖擊力，使得粉體的粒徑減小，比表面增加。但過大的沖擊力轉化為熱能和晶格畸變能， 導致晶粒的長大。碳化鈦、錸和鎢基材料在熱壓燒結的過程中沒有有害物質放出，也不會產 生有害物質。熱壓燒結過程中在壓力和溫度的作用下微觀粒子熱運動加劇，混合粉末顆粒 產生塑性變形并相對滑動，顆粒間氣孔縮小，復合材料致密化程度提高。足夠的燒結時間才 能保證混合粉末充分的變形和運動，但是燒結時間過長容易產生晶粒長大現象。因此，燒結 參數(燒結壓力、燒結溫度、燒結時間)的掌握和控制是本發明又一關鍵之處。在燒結過程 中，碳化鈦摻雜相抑制鎢基體相粒徑的長大，(Ti，W)C固溶體提高了鎢界面的強度。錸摻雜 相有助于降低復合材料的DBTT，提高復合材料斷裂極限強度、抬高其重結晶溫度。因此，TiC 和Re摻雜增強了鎢基面對等離子體材料整體熱力學性能。同時，碳化鈦、錸摻雜相界面能 夠限制裂紋的擴展，大大降低了復合材料表面熱應力，延長了第一壁部件的使用壽命。本發明的優點是第一壁部件有面對等離子體材料和熱沉材料組成，所述的面對 等離子體材料為碳化鈦、錸摻雜鎢基復合材料，所述的熱沉材料為銅合金或低活化不銹鋼。 該發明工藝相對簡單、可靠，該第一壁部件有較好的熱力學性能，能夠承受大熱流、高能量 粒子沖擊，可以應用到長脈沖、大功率的聚變實驗裝置及未來聚變商用堆上。
具體實施例方式實施例、1、按如下質量份稱量各組分配比碳化鈦1%，錸5%，鎢粉94%。2、將按質量份配比的碳化鈦、錸和鎢粉混合球磨后經過冷壓成塊、真空熱壓燒結 成型等工藝制備摻雜鎢基面對等離子體復合材料。球磨參數選擇是球磨時間40小時，球 磨轉速400轉/分鐘，球料比10 1 ；冷壓工藝中壓力150Mpa，時間8分鐘；真空熱壓燒結工藝中熱壓燒結壓力30Mpa，燒結溫度2000攝氏度，燒結時間1小時。 3、再將摻雜鎢基面對等離子體材料焊接到銅合金或低活化不銹鋼熱沉材料上。本發明工藝制備的摻雜鎢基復合材料第一壁部件經電子束高熱負荷實驗測試 可以穩態的承受2-3MW/m2長時間的熱流密度沉積，8MW/m2、10s的高熱流密度沉積。摻雜 鎢基面對等離子體材料在室溫下的抗彎強度、維氏顯微硬度和楊氏模量分別為1080Mpa， 4. 5Gpa和390Gpa，與相同方法制備的純鎢面對等離子體材料相比分別提高了 47. 9%，30% 和 13%。
權利要求
一種摻雜鎢基復合材料第一壁部件，其特征是第一壁部件由面對等離子體材料和熱沉材料組成，所述的面對等離子體材料為碳化鈦、錸摻雜鎢基復合材料，所述的熱沉材料為銅合金或低活化不銹鋼。
2.根據權利要求1所述的一種摻雜鎢基復合材料第一壁部件，其特征是上述各組份 質量份為碳化鈦0. 5-5%，錸質3-10%，鎢質85%-96. 5%;優選的質量份為碳化鈦1%， 錸 5%，鎢 94%。
3.一種制備摻雜鎢基復合材料第一壁部件的方法，其特征是將面對等離子體材料碳 化鈦、錸和鎢粉混合球磨后，經冷壓成塊，真空熱壓燒結成型，再焊接到熱沉材料銅合金或 不銹鋼上。
全文摘要
本發明涉及一種新型摻雜鎢基復合材料，具體涉及一種摻雜鎢基復合材料第一壁部件及其制備方法，屬機械熱處理加工技術領域。第一壁部件由面對等離子體材料和熱沉材料組成，所述的面對等離子體材料為碳化鈦、錸摻雜鎢基復合材料，所述的熱沉材料為銅合金或低活化不銹鋼，將面對等離子體材料碳化鈦、錸和鎢粉混合球磨后，經冷壓成塊，真空熱壓燒結成型，再焊接到熱沉材料銅合金或不銹鋼上，該第一壁部件有較好的熱力學性能，能夠承受大熱流、高能量粒子沖擊，可以應用到長脈沖、大功率的聚變實驗裝置及未來聚變商用堆上。
文檔編號C22C1/05GK101845578SQ20101017785
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月15日 優先權日2010年5月15日
發明者種法力 申請人:徐州工程學院