專利名稱：一種鎢基面向等離子體材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚變堆面向等離子體材料，確切地說是一種鎢基面向等離子體材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鎢材料由于其高熔點(diǎn)、高濺射閾值、高熱導(dǎo)率、低蒸氣壓、低氫同位素滯留等優(yōu)良特性被認(rèn)為是制備國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER和未來商業(yè)示范堆DEMO的面向等離子體部件 (plasma-facing components,PFC)的重要候選材料。但是，鎢的脆性是限制其在聚變堆PFC 中應(yīng)用的一個(gè)重要因素。一般認(rèn)為其脆性來源主要有三個(gè)方面1、鎢中的大量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)往往需要高的溫度來激活，研究表明，鎢材料的塑性主要由1/2<111>螺位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)控制，但該位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的Peierls力較大(室溫下約為2. 8GPa) ；2、工業(yè)生產(chǎn)過程中鎢中低溶解度雜質(zhì)往往很難消除，0、N、H等有害雜質(zhì)元素在鎢晶界偏聚弱化晶界往往導(dǎo)致鎢的脆性(這種問題可以通過增加鎢的加工深度以稀釋雜質(zhì)濃度來進(jìn)行緩解)；3、聚變堆中PFC所處的高熱流加載和高能中子輻照環(huán)境往往使鎢易于出現(xiàn)再結(jié)晶脆化和輻照脆化。可以認(rèn)定，鎢的脆性會(huì)降低PFC的服役壽命進(jìn)而威脅聚變裝置安全。所以，提高鎢基材料的韌性是聚變材料界研究的重要課題之一。目前針對(duì)鎢的增韌國內(nèi)外進(jìn)行了較多的研究，主要包括錸元素固溶的合金韌化、 劇烈塑性變形(典型的為高壓扭轉(zhuǎn)和等通道轉(zhuǎn)角擠壓)細(xì)化晶粒的“top-down”和高能球磨碎化粉體然后再熱等靜壓燒結(jié)的“bottom-up”等方法。但目前看來這方面的工作雖然取得了很大的成效，但就工程應(yīng)用而言為時(shí)尚早。這就迫切需要嘗試新的增韌途徑來制備滿足聚變要求的鎢基材料。陶瓷基纖維增韌復(fù)合材料近十余年來得到了廣泛的研發(fā)并取得了一些工業(yè)應(yīng)用。 其基本增韌機(jī)理可以理解為纖維/基體界面的開裂能量耗散和接下來的纖維在界面處摩擦滑動(dòng)能量耗散。國外學(xué)者針對(duì)CVD鎢加入鎢纖維的樣品的Push-out實(shí)驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析展示了鎢纖維移動(dòng)過程中的能量耗散和裂紋的偏轉(zhuǎn)，因此確定了纖維增韌概念在鎢基材料中應(yīng)用的可行性。目前國外已開始研究化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備長(zhǎng)纖維增韌鎢基PFM，但該工藝過程復(fù)雜、生產(chǎn)效率低以及長(zhǎng)纖維的各向異性，或?qū)⑾拗破浒l(fā)展和應(yīng)用。為了能夠快速低成本的制備出塊體的鎢纖維增韌鎢基(tungsten fiber-toughened tungsten matrix composite，Wf/W)PFM，本專利提出了一項(xiàng)基于傳統(tǒng)粉末冶金工藝的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)存缺陷，提供一種除具有鎢材料傳統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)并能顯著提高斷裂韌性，具有優(yōu)異的綜合性能的鎢基面向等離子體材料及其制備方法。上述目的通過以下方案實(shí)現(xiàn)一種鎢基面向等離子體材料，其特征在于是以鎢粉和鎢纖維為原料制成，按鎢纖維占基體鎢粉體積比約10% -30%的配比選取鎢粉；其是由利用不至于損傷鎢纖維的混粉方法使鎢粉粉末與鎢纖維混合均勻，然后利用熱等靜壓工藝燒結(jié)制備塊體纖維增韌鎢基材料而得，且所述的鎢粉是純鎢粉末、鎢錸合金粉末，摻雜碳化物或氧化物的鎢粉粉末中的一種，所述的鎢纖維是純鎢纖維或鎢錸等合金纖維。所述的一種鎢基面向等離子體材料，其特征在于所述的純鎢粉末粒度為0. 1-20μπι，純度> 99. 5wt%，所述的鎢錸合金粉末或合金纖維中的合金指的是含 0. 5-10wt%錸的鎢合金；所述摻雜碳化物或氧化物的鎢粉中碳化物或氧化物的含量 < 5wt%，采用納米相摻雜；所述的鎢纖維為短切纖維，且其長(zhǎng)度為l_5mm，纖維應(yīng)盡量避免過度卷曲。所述的一種鎢基面向等離子體材料，其特征在于所述的鎢纖維的再結(jié)晶溫度需達(dá)到2000K，直徑在10-300 μ m左右，拉伸強(qiáng)度需在2. 5GPa以上；所述的鎢粉雜質(zhì)含量需盡可能低，要求其純度> 99%且晶粒尺寸< 3 μ m。所述的鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟A、按重量配比稱取原料，所述的鎢纖維表面可以不進(jìn)行處理，或者在其表面覆蓋薄膜或者涂層，再用不至于損傷鎢纖維的混粉方法使原料混合均勻，為了去除粉末吸附的氣體雜質(zhì)，混料結(jié)束后將所得粉體置于優(yōu)于數(shù)量級(jí)的真空中在500-800°C下保溫 0. 5-1小時(shí)；B、將步驟A混合均勻的粉體利用熱等靜壓方法進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為2-3小時(shí)，壓強(qiáng)為150-200MPa，工作氣體為氬氣，熱等靜壓的燒結(jié)溫度不能超過纖維起始再結(jié)晶溫度，在 1700K左右為宜，得塊體纖維增韌鎢基材料，再制成不同形狀和尺寸的部件，即得產(chǎn)品。所述的一種鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于所述的不至于損傷鎢纖維的的混粉方法指的是將直徑約10-300 μ m的鎢絲短切成l_5mm長(zhǎng)，然后按配比選取鎢粉并在低能球磨機(jī)中混合均勻，為了防止球磨過程中的雜質(zhì)污染，球磨過程需在高純度氫氣保護(hù)氣氛中進(jìn)行。所述的一種鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于所述的薄膜或者涂層由物理氣相沉積法、或化學(xué)氣相沉積法、或者溶膠-凝膠法的方法中的一種制備而得，涂層厚度約100-300nm。所述的一種鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于所述的薄膜或者涂層為&02、La2O3^ Y2O3> C中的一種的薄膜或者涂層。本發(fā)明的有益效果為1、本發(fā)明將粉末冶金工藝和纖維增韌概念結(jié)合起來運(yùn)用于制備Wf/W-PFM，利用不至于損傷鎢纖維的低能3D混粉罐混粉或其它低能混粉方法使粉末與短切鎢纖維混合均勻且除去吸附氣體進(jìn)而采用熱等靜壓工藝，使得快速低成本制備高韌性鎢基PFM成為可能； 本發(fā)明制備的鎢基復(fù)合材料中纖維分布均勻且基體呈現(xiàn)等軸晶狀，故力學(xué)和熱傳導(dǎo)呈現(xiàn)各向同性。ITER級(jí)別純鎢室溫下熱傳導(dǎo)率約為160W/m*K，因?yàn)榻饘俨牧系膶?dǎo)熱主要通過內(nèi)部自由電子的運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行，鎢材料中高密度的界面(如鎢晶粒尺寸<2μπι時(shí)的晶界)散射電子能力很強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致熱導(dǎo)率的降低。本發(fā)明中涉及的^/W復(fù)合主要特征在于鎢纖維的添加而并不著重強(qiáng)調(diào)晶粒細(xì)化，故能保持較好的熱導(dǎo)率。該工藝制備的鎢基PFM不會(huì)犧牲商用鎢材料作為PFM的一些優(yōu)點(diǎn)來換取鎢材料的韌性，即具有傳統(tǒng)商用鎢基材料的優(yōu)點(diǎn)，如高導(dǎo)熱、高熔點(diǎn)、低濺射產(chǎn)額、低氫同位素滯留和低蒸氣壓等。2、國外學(xué)者采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備高品質(zhì)Wf/W-PFC，所需要的條件是高純度WF6 ( > 99. 9wt% )，550°C左右的溫度場(chǎng)和相應(yīng)的真空設(shè)備及尾氣(HF)處理設(shè)備， 制備較厚的樣品往往需要數(shù)十小時(shí)。故對(duì)于制備塊體材料講，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于技術(shù)非常成熟的粉末冶金法。本發(fā)明涉及的原材料和生產(chǎn)工藝有著廣泛的工業(yè)基礎(chǔ)，可以利用工業(yè)生產(chǎn)的短切鎢絲和高品質(zhì)的還原鎢粉制備，成本低廉。3、本發(fā)明采用的鎢纖維組織細(xì)化程度高，具有高的強(qiáng)度、優(yōu)良的延塑性、高的再結(jié)晶溫度和強(qiáng)的抗輻照性能，纖維增韌效果在基體完全再結(jié)晶化后或者較多輻照缺陷存在時(shí)仍然存在，可延長(zhǎng)PFC在聚變堆強(qiáng)輻照?qǐng)龉r下的服役壽命。基于纖維/基體界面的開裂能量耗散和接下來的纖維在界面處摩擦滑動(dòng)能量耗散的增韌效果極大改善鎢的脆性行為。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 一種鎢基面向等離子體材料，其特征在于是以鎢粉和鎢纖維為原料制成，按鎢纖維占基體鎢粉體積比約10% -30%的配比選取鎢粉；其是由利用不至于損傷鎢纖維的混粉方法使鎢粉粉末與鎢纖維混合均勻并真空高溫除氣，然后利用熱等靜壓工藝燒結(jié)制備塊體纖維增韌鎢基材料而得，且所述的鎢粉是純鎢粉末、鎢錸合金粉末，摻雜碳化物或氧化物的鎢粉粉末中的一種，所述的鎢纖維是純鎢纖維或鎢錸等合金纖維。所述的一種鎢基面向等離子體材料，其特征在于所述的純鎢粉末粒度為0. 1-20μπι，純度> 99. 5wt%，所述的鎢錸合金粉末或合金纖維中的合金指的是含 0. 5-10wt%錸的鎢合金；所述摻雜碳化物或氧化物的鎢粉中碳化物或氧化物的含量 < 5wt%，采用納米相摻雜；所述的鎢纖維為短切纖維，且其長(zhǎng)度為l_5mm，纖維應(yīng)盡量避免過度卷曲。所述的一種鎢基面向等離子體材料，其特征在于所述的鎢纖維的再結(jié)晶溫度需達(dá)到2000K，直徑在10-300 μ m左右，拉伸強(qiáng)度需在2. 5GPa以上；所述的鎢粉雜質(zhì)含量需盡可能低，要求其純度> 99%且晶粒尺寸< 3 μ m。所述的鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟A、按重量配比稱取原料，所述的鎢纖維表面可以不進(jìn)行處理，或者在其表面覆蓋薄膜或者涂層，再用不至于損傷鎢纖維的混粉方法使原料混合均勻，為了去除粉末吸附的氣體雜質(zhì)，混料結(jié)束后將所得粉體置于優(yōu)于數(shù)量級(jí)的真空中在500-800°C下保溫 0. 5-1小時(shí)；B、將步驟A混合均勻的粉體利用熱等靜壓方法進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為2-3小時(shí)，壓強(qiáng)為150-200MPa，工作氣體為氬氣，熱等靜壓的燒結(jié)溫度不能超過纖維起始再結(jié)晶溫度，在 1700K左右為宜，得塊體纖維增韌鎢基材料，再制成不同形狀和尺寸的部件，即得產(chǎn)品。所述的一種鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于所述的不至于損傷鎢纖維的的混粉方法指的是將直徑約10-300 μ m的鎢絲短切成l_5mm長(zhǎng)，然后按配比選取鎢粉并在低能球磨機(jī)中混合均勻，為了防止球磨過程中的雜質(zhì)污染，球磨過程需在高純度氫氣保護(hù)氣氛中進(jìn)行。所述的一種鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于所述的薄膜或者涂層由物理氣相沉積法、或化學(xué)氣相沉積法、或者溶膠-凝膠法的方法中的一種制備而得，涂層厚度約100-300nm。所述的一種鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于所述的薄膜或者涂層為&02、La2O3^ Y2O3> C中的一種的薄膜或者涂層。制得的產(chǎn)品具有傳統(tǒng)商用鎢基材料的優(yōu)點(diǎn)，ITER級(jí)別純鎢室溫下熱傳導(dǎo)率大于 160W/m*K，熔點(diǎn)大于3410°C，具有高導(dǎo)熱、高熔點(diǎn)攝氏度、低濺射產(chǎn)額、低氫同位素滯留和低蒸氣壓的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)成本低，具有較大的韌性。傳統(tǒng)商用鎢材料無法在拉伸階段發(fā)生塑性變形，而本產(chǎn)品具有一定程度的塑性變形，說明本產(chǎn)品具有一定的韌性。實(shí)施例2 1、購買高品質(zhì)的商業(yè)摻雜鎢絲和還原鎢粉，要求摻雜鎢絲的再結(jié)晶溫度需達(dá)到 2000K,直徑在10-300 μ m左右，拉伸強(qiáng)度需在2. 5GPa以上；還原鎢粉雜質(zhì)含量需盡可能低 (純度> 99. 5wt% )且晶粒尺寸盡可能小(< 3 μ m)以提高燒結(jié)品質(zhì)；2、為了改善鎢纖維與鎢基體的界面性能，需要在鎢絲上利用物理(化學(xué))氣相沉積或者溶膠-凝膠等方法制備中間層薄膜，如&02、La2O3^ Y203> C等薄膜/涂層；3、將直徑約10-300 μ m的鎢絲短切成l_5mm長(zhǎng)，然后按纖維占基體體積比約 10%-30%的配比選取鎢粉并在低能球磨機(jī)中混合均勻，混料結(jié)束后將所得粉體置于優(yōu)于 IO^3Pa數(shù)量級(jí)的真空中在500-800°C下保溫0. 5_lh除氣。4、將混合均勻的粉體利用熱等靜壓方法進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度應(yīng)在1700K左右為宜，壓強(qiáng)為200MPa左右，工作氣體為氬氣，包套選擇鈦材料。5、根據(jù)聚變堆PFC的設(shè)計(jì)要求，可由熱等靜壓工藝直接燒結(jié)制成不同形狀和尺寸的部件，或?qū)Y(jié)制備的Wf/W材料加工成要求部件。6、制得的產(chǎn)品很好的保持了商用鎢高熔點(diǎn)，高熱導(dǎo)，低氫同位素滯留等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)性能各向同性優(yōu)于CVD制備的鎢連續(xù)長(zhǎng)纖維復(fù)合材料；因采用工業(yè)基礎(chǔ)很好的原材料和粉末燒結(jié)法，成本低廉；三點(diǎn)彎曲測(cè)試顯示該材料能顯示出商用多晶鎢不具備的非彈性變形能力，這是因?yàn)榧虞d過程中出現(xiàn)了裂紋沿纖維和基體界面擴(kuò)展及脫粘界面相對(duì)摩擦滑動(dòng)進(jìn)一步耗散能量，極大的提高了脆性鎢基材料的韌性。綜上所述，本發(fā)明制備的Wf/W復(fù)合材料是一種前景廣闊的面向等離子體材料。
權(quán)利要求
1.一種鎢基面向等離子體材料，其特征在于是以鎢粉和鎢纖維為原料制成，按鎢纖維占基體鎢粉體積比約10% -30%的配比選取鎢粉；其是由利用不至于損傷鎢纖維的混粉方法使鎢粉粉末與鎢纖維混合均勻，然后利用熱等靜壓工藝燒結(jié)制備塊體纖維增韌鎢基材料而得，且所述的鎢粉是純鎢粉末、鎢錸合金粉末，摻雜碳化物或氧化物的鎢粉粉末中的一種，所述的鎢纖維是純鎢纖維或鎢錸等合金纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎢基面向等離子體材料，其特征在于所述的純鎢粉末粒度為0. 1-20μπι，純度> 99. 5wt%，所述的鎢錸合金粉末或合金纖維中的合金指的是含0. 5-10wt%錸的鎢合金；所述摻雜碳化物或氧化物的鎢粉中碳化物或氧化物的含量 < 5wt%，采用納米相摻雜；所述的鎢纖維為短切纖維，且其長(zhǎng)度為l_5mm，纖維應(yīng)盡量避免過度卷曲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎢基面向等離子體材料，其特征在于所述的鎢纖維的再結(jié)晶溫度需達(dá)到2000K，直徑在10-300 μ m左右，拉伸強(qiáng)度需在2. 5GPa以上；所述的鎢粉雜質(zhì)含量需盡可能低，要求其純度> 99%且晶粒尺寸< 3 μ m。
4.一種如權(quán)利要求1或2或3所述的鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于 包括以下步驟A、按重量配比稱取原料，所述的鎢纖維表面可以不進(jìn)行處理，或者在其表面覆蓋薄膜或者涂層，再用不至于損傷鎢纖維的混粉方法使原料混合均勻，為了去除粉末吸附的氣體雜質(zhì)，混料結(jié)束后將所得粉體置于優(yōu)于10-3 數(shù)量級(jí)的真空中在500-800°C下保溫0. 5-1小時(shí)；B、將步驟A混合均勻的粉體利用熱等靜壓方法進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為2-3小時(shí)，壓強(qiáng)為150-200MPa，工作氣體為氬氣，熱等靜壓的燒結(jié)溫度不能超過纖維起始再結(jié)晶溫度，在 1700K左右為宜，得塊體纖維增韌鎢基材料，再制成不同形狀和尺寸的部件，即得產(chǎn)品。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于所述的不至于損傷鎢纖維的的混粉方法指的是將直徑約10-300 μ m的鎢絲短切成l_5mm長(zhǎng)，然后按配比選取鎢粉并在低能球磨機(jī)中混合均勻，為了防止球磨過程中的雜質(zhì)污染，球磨過程需在高純度氫氣保護(hù)氣氛中進(jìn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于所述的薄膜或者涂層由物理氣相沉積法、或化學(xué)氣相沉積法、或者溶膠-凝膠法的方法中的一種制備而得，涂層厚度約100-300nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鎢基面向等離子體材料的制備方法，其特征在于所述的薄膜或者涂層為&02、La2O3^ Y203> C中的一種的薄膜或者涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鎢基面向等離子體材料及其制備方法，其是由利用不至于損傷鎢纖維的混粉方法使鎢粉粉末與鎢纖維混合均勻，然后利用熱等靜壓工藝燒結(jié)制備塊體纖維增韌鎢基材料而得，且所述的鎢粉是純鎢粉末、鎢錸合金粉末，或摻雜碳化物和氧化物的鎢粉粉末中的一種，所述的鎢纖維是純鎢絲或鎢錸等合金絲。本發(fā)明具有高導(dǎo)熱、高熔點(diǎn)攝氏度、低濺射產(chǎn)額、低氫同位素滯留和低蒸氣壓的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)成本低，具有較大的韌性。
文檔編號(hào)C22C49/10GK102560292SQ20121004832
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者劉鳳, 李強(qiáng), 王萬景, 羅廣南, 謝春意, 趙四祥 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所