基于鎢-鉀合金的多元合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及基于鎢-鉀合金的多元合金的制備方法，該方法的工藝步驟如下：(1)在氧含量低于0.1ppm、水含量低于0.1ppm的氬氣氛圍中稱量鎢-鉀合金粉末、金屬X粉末和磨球并加入球磨罐中，對(duì)球磨罐抽真空，然后向球磨罐中充氫氣與氬氣的混合氣體，球磨20～60h；所述金屬X為Ti、Y的至少一種；(2)將步驟(1)所得混合粉體裝入模具中，然后將裝入混合粉體的模具放入放電等離子體燒結(jié)爐中，在40～100MPa、1600～1900℃燒結(jié)1～6min，然后隨爐冷卻至室溫，再將壓力降至常壓，即得。上述方法制備的多元合金具有優(yōu)異的抗輻照性能和抗熱沖擊性能。
【專利說明】基于銘—鉀合金的多元合金及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及基于鎢-鉀合金的多元合金及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]核聚變能被公認(rèn)為可有效解決人類社會(huì)未來能源問題與環(huán)境問題的重要途徑，目前核聚變能的開發(fā)已從基礎(chǔ)研究階段步入工程可行性階段，按照預(yù)定規(guī)劃，到2050年或稍后要實(shí)現(xiàn)聚變堆的商業(yè)化應(yīng)用，聚變堆材料是核聚變能否成功商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。聚變堆中的面向等離子體材料(PFM)作為直接面對(duì)高溫等離子體的護(hù)甲材料，由于其工作環(huán)境極端苛刻，是當(dāng)前聚變堆材料研究中面臨的首要難題。在已有的PFM材料中，鎢-鉀(以下描述中稱為W-K)合金由于性能優(yōu)異而受到了強(qiáng)烈關(guān)注。W-K合金具有極佳的抗熱沖擊性能，同時(shí)其再結(jié)晶溫度(RCT)可達(dá)2000°C，較純鎢(W)的RCT值提高了近乎一倍，而韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)卻仍可低至150~200°C，克服了其它彌散強(qiáng)化相W基材料在提高RCT的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致DBTT迅速攀升的缺點(diǎn)。盡管W-K合金的多項(xiàng)性都能優(yōu)于其他W基材料，但其性能仍然不能完全滿足聚變示范堆的服役要求，比如W-K合金的抗輻照性能并不優(yōu)異，抗熱沖擊性能還有待提高等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于鎢-鉀合金的多元合金及其制備方法，該多元合金具有優(yōu)異的抗輻照性能和抗熱沖擊性能。
[0004]本發(fā)明所述基于鎢-鉀合金的多元合金的制備方法，工藝步驟如下:
[0005](I)在氧含量低于0.lppm、水含量低于0.1ppm的気氣氛圍中稱量鶴-鉀合金粉末、金屬X粉末和磨球并加入球磨罐中，對(duì)球磨罐抽真空至罐中的壓強(qiáng)為(2~3) X 10?,然后向球磨罐中充氫氣與氬氣的混合氣體，當(dāng)罐中的壓強(qiáng)為(6~7) X 14Pa時(shí)進(jìn)行球磨形成混合粉體，球磨時(shí)間為20~60h ；
[0006]所述金屬X粉末的量為鶴-鉀合金粉末和金屬X粉末總質(zhì)量的0.1 %~1.0% ,金屬X為T1、Y中的至少一種，所述鎢-鉀合金粉末中K的含量為0.002wt%~ 0.01wt% ；
[0007](2)將步驟(1)所得混合粉體裝入模具中，然后將裝入混合粉體的模具放入放電等離子體燒結(jié)爐中，在40~100MPa、1600~1900°C燒結(jié)I~6min，繼后隨爐冷卻至室溫，再將壓力降至常壓，即得到基于鎢-鉀合金的多元合金。
[0008]上述方法中，所述鎢-鉀合金粉末的粒徑< 10 μ m，純度高于99.9% ;所述金屬X粉末的粒徑< 100 μ m，純度高于99.9%。
[0009]上述方法中，所述氫氣與氬氣的混合氣體中，氫氣含量為3vol%~1vol %，氬氣的含量為90vol %~97vol %。
[0010]上述方法的步驟(1)中，磨球的質(zhì)量與鎢-鉀合金粉末和金屬X粉末總質(zhì)量之比為(2 ~10):1。
[0011]上述方法的步驟(1)中，以150~400rpm的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨。
[0012]上述方法的步驟(1)中，球磨罐的裝填系數(shù)為0.2~0.4，即球磨罐中磨球、鎢-鉀合金粉末與金屬X粉末的總體積為球磨罐總體積的20~40%。球磨時(shí)可采用兩種或者兩種以上粒徑的磨球進(jìn)行球磨，以提高球磨效率。
[0013]上述方法的步驟(2)中，放電等離子體燒結(jié)爐的升溫速率為100~300°C /min。
[0014]本發(fā)明還提供了一種上述方法制備得到的基于鎢-鉀合金的多元合金。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0016]1.本發(fā)明提供了一種新的基于鎢-鉀合金的多元合金，該多元合金在W-K合金的基礎(chǔ)上，添加金屬T1、Y中的至少一種制備而成，該多元合金兼具K泡、Y的氧化物形成的彌散強(qiáng)化相或/和W與Ti形成的固溶強(qiáng)化相的多重強(qiáng)化效果，與現(xiàn)有W-K合金相比，該多元合金晶粒更加細(xì)化，具有更高的硬度(見實(shí)施例1~4)，并且具有更優(yōu)異的抗輻照性能和抗熱沖擊性能(見實(shí)施例1、2)。
[0017]2.由于K在本發(fā)明所述多元合金中形成了 K泡，K泡均勻分布在晶粒的晶界和晶粒內(nèi)部，晶界處的K泡形成彌散強(qiáng)化相，產(chǎn)生“釘扎”效應(yīng)，具有阻止晶粒在高溫條件下長大的作用，該多元合金的晶粒尺寸僅為1.3~7.4 μ m，小的晶粒尺寸能夠提高多元合金的力學(xué)性能和抗輻照性能，K泡的存在能夠提高再結(jié)晶溫度和多元合金的高溫強(qiáng)度以及抗熱沖擊性能的作用；晶粒內(nèi)部的K泡使得該多元合金具有類似“蜂窩”的結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)能夠降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，改善該多元合金的低溫脆性，提高其可加工性。
[0018]3.由于本發(fā)明所述多元合金是在W-K合金的基礎(chǔ)上添加T1、Y中的至少一種制備而成，Y的添加使得該多元合金在K泡的基礎(chǔ)上，在晶界處還形成了高熔點(diǎn)、高硬度且難以移動(dòng)的Y的氧化物，Y的氧化物在晶粒間呈彌散分布，能夠進(jìn)一步阻止鎢的晶粒長大，使得燒結(jié)后多元合金的晶粒得到細(xì)化，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度，以及抗輻照性能；由于Ti與W固溶，Ti的添加使得該多元合金在K泡的基礎(chǔ)上，又形成了固溶強(qiáng)化相，這能夠降低吉布斯自由能，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，從而進(jìn)一步提高了多元合金的強(qiáng)度、硬度以及抗輻照性能。
[0019]4.本發(fā)明還提供了一種制備基于W-K合金的多元合金的新方法，該方法采用了球磨這一技術(shù)手段，由于球磨可以提高合金粉末的表面能，從而降低多元合金的燒結(jié)溫度，該方法在1600~1900°C即可燒結(jié)得到致密度與現(xiàn)有W-K合金相當(dāng)?shù)亩嘣辖?，燒結(jié)溫度的降低，一方面具有節(jié)能降耗的優(yōu)勢，另一方面，在較低的燒結(jié)溫度下能夠得到晶粒細(xì)小的多元合金，從而提高多元合金的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和抗輻照性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是實(shí)施例1~4制備的多元合金、純鎢以及W-K合金的拋光侵蝕后的金相圖像；
[0021]圖2是實(shí)施例1~2制備的多元合金、純鎢以及W-K合金在熱沖擊實(shí)驗(yàn)后的金相圖像；
[0022]圖3是實(shí)施例1制備的多元合金、純鎢以及W-K合金在質(zhì)子輻照后的掃描電鏡圖像。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述基于W-K合金的多元合金及其制備方法作進(jìn)一步說明，但并不意味著對(duì)本發(fā)明保護(hù)內(nèi)容的任何限定。
[0024]下述各實(shí)施例中，所述W-K合金粉末購自自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司成都分公司，其粒徑< 10 μ m，其純度高于99.9% ;Ti粉和Y粉購自阿拉丁試劑(上海)有限公司，二者的粒徑均< 100 μ m，純度均高于99.9% ;所述純鎢和W-K合金均購自廈門虹鷺鎢鑰工業(yè)有限公司。
[0025]實(shí)施例1
[0026](l)ff-K-0.1wt% Ti合金粉體的高能球磨
[0027]本實(shí)施例中，以W-K合金粉末和Ti粉為原料，W-K合金粉末中K的含量為為0.007wt%。
[0028]將W-K合金粉末和Ti粉在超低氧手套箱中拆封，然后采用精度為0.0Olg的電子天平稱量W-K合金粉末159.840g,Ti粉0.160g，然后將可抽真空的硬質(zhì)合金球磨罐放入超低氧手套箱中，將稱量好的W-K合金粉末和Ti粉加入所述球磨罐中，再在超低氧手套箱中稱量硬質(zhì)合金磨球并加入球磨罐中，磨球的質(zhì)量與W-K合金粉末和Ti粉的總質(zhì)量之比為5:1，其中，直徑為1mm與直徑為6mm的磨球質(zhì)量比為1:2 ;控制球磨罐的裝填系數(shù)為0.2~0.4 ;超低氧手套箱工作的技術(shù)指標(biāo)為:氧含量低于0.lppm、水含量低于0.lppm,工作氣體為純度高于99.99%的氬氣。
[0029]將球磨罐從超低氧手套箱中取出，對(duì)球磨罐抽真空至罐中的壓強(qiáng)為3X10_3Pa，然后充入氫氣含量為7vol.%、 ！!氣含量為93vol.%的氫-1S混合氣至球磨罐中的壓強(qiáng)為7 X 14Pa,再將球磨罐裝入球磨機(jī)中，以250rpm的轉(zhuǎn)速,球磨40h,實(shí)現(xiàn)粉體的混合與合金化。
[0030](2)放電等離子體燒結(jié)(SPS)
[0031]稱取步驟(1)所得混合粉體7g，裝入直徑15_的石墨模具中，然后將裝好的石墨模具放入放電等離子體燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，設(shè)定SPS燒結(jié)爐的燒結(jié)壓力為80MPa、升溫速率為100°C /min,升溫至1750°C后在該溫度和80MPa保持3min，繼后隨爐冷卻至室溫，再將壓力降至常壓，即得W-K-0.1wt % Ti多元合金塊體。
[0032](3)性能測試
[0033]①密度測量
[0034]采用阿基米德排水法測量步驟(2)所得W-K-0.1wt% Ti合金的密度。結(jié)果顯示，樣品密度為18.89g/cm3，致密度為98.1%。采用現(xiàn)有方法制備純鎢和W-K合金，若要達(dá)到同等的致密度，燒結(jié)溫度必須在2300°C以上，說明本發(fā)明所述方法可明顯降低合金的燒結(jié)溫度。
[0035]②金相觀察
[0036]將步驟⑵所得W-K-0.1wt % Ti合金樣品拋光侵蝕后在金相顯微鏡下觀察金相組織，發(fā)現(xiàn)其晶粒尺寸為7.4 μ m，而相同致密度條件下，純鎢的晶粒尺寸為163.4 μ m, W-K合金的晶粒尺寸為8.1 μ m，W-K-0.1wt% Ti合金、純鎢以及W-K合金拋光侵蝕后的金相圖像如圖1所示，本實(shí)施例制備的W-K-0.lwt% Ti合金的晶粒尺寸更小,這對(duì)于提高多元合金材料的力學(xué)性能以及抗輻照性能非常關(guān)鍵。
[0037]③硬度測量
[0038]利用HV-1000D硬度計(jì)對(duì)步驟⑵所得W-K_0.1wt % Ti合金樣品進(jìn)行顯微硬度測量，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:加載力為1.96N，保持時(shí)間為10s。結(jié)果表明W-K-0.1wt% Ti合金的顯微硬度為425.158，而純鎢的顯微硬度為360.378，W-K合金的顯微硬度為387.033，由此可見本發(fā)明所述多元合金的顯微硬度較純鎢和W-K合金有明顯提高。
[0039]④熱沖擊測試
[0040]采用電子束測試裝置EMS-60對(duì)步驟(2)所得W-K-0.1wt % Ti合金樣品進(jìn)行熱沖擊測試，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:加速電壓120kV，電子束電流40mA，輻照區(qū)域4X4mm2，熱流密度300MW/m2。采用相同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)純鎢和W-K合金進(jìn)行熱沖擊測試。采用金相顯微鏡觀察熱沖擊實(shí)驗(yàn)之后的樣品，結(jié)果如圖2所示，由圖2可知，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，純鎢和W-K合金出現(xiàn)了裂紋，材料失效，而W-K-0.1wt% Ti合金表面未出現(xiàn)裂紋，僅有輕微的塑性形變，該合金經(jīng)受住了高熱流密度的考驗(yàn)。
[0041]⑤質(zhì)子輻照
[0042]采用2.5MeV直線質(zhì)子加速器對(duì)步驟⑵所得W-K_0.1wt % Ti合金樣品進(jìn)行質(zhì)子輻照，輻照參數(shù):能量為1.95MeV，輻照時(shí)間為2h，注量為3X 1017H+/Cm2。采用相同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)純鎢和W-K合金進(jìn)行質(zhì)子輻照。對(duì)質(zhì)子輻照后的樣品進(jìn)行掃描電鏡測試，結(jié)果如圖3所示，純鎢在質(zhì)子輻照后出現(xiàn)嚴(yán)重的輻照損傷，輻照前光滑的表面變得非常粗糙;W-K合金同樣出現(xiàn)了明顯的輻照損傷，輻照前光滑的表面變得比較粗糙，但略好于純鎢；W-K-0.1wt%Ti合金在質(zhì)子輻照后，其表面仍然保持光滑，只有微小區(qū)域存在輕微的輻照損傷，說明本發(fā)明所述多元合金的抗質(zhì)子輻照性能得到了明顯的提高。
[0043]實(shí)施例2
[0044](l)ff-K-0.1wt % Y合金粉體的高能球磨
[0045]本實(shí)施例中，以W-K合金粉末和Y粉為原料，W-K合金粉末中K的含量為0.007wt%。
[0046]將W-K合金粉末和Y粉在超低氧手套箱中拆封，然后采用精度為0.0Olg的電子天平稱量W-K合金粉末159.840g, Y粉0.160g,隨后將可抽真空的硬質(zhì)合金球磨罐放入超低氧手套箱中，將稱量好的W-K合金粉末和Y粉加入所述球磨罐中，再在超低氧手套箱中稱量硬質(zhì)合金磨球并加入球磨罐中，磨球的質(zhì)量與W-K合金粉末和Y粉的總質(zhì)量之比為5:1，其中，直徑為1mm與直徑為6mm的磨球質(zhì)量比為1:2 ;控制球磨罐的裝填系數(shù)為0.2~0.4 ;超低氧手套箱工作的技術(shù)指標(biāo)為:氧含量低于0.lppm、水含量低于0.lppm，工作氣體為純度高于99.99%的氬氣。
[0047]將球磨罐從超低氧手套箱中取出，對(duì)球磨罐抽真空至罐中的壓強(qiáng)為3Xl(T3Pa，然后充入氫氣含量為7vol.%、！!氣含量為93vol.%的氫-1S混合氣至球磨罐中的壓強(qiáng)為7 X 14Pa,再將球磨罐裝入球磨機(jī)中，以250rpm的轉(zhuǎn)速,球磨40h。
[0048](2)放電等離子體燒結(jié)(SPS)
[0049]稱取步驟⑴所得混合粉體7g，裝入直徑15mm的石墨模具中，然后將裝好的石墨模具放入放電等離子體燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，設(shè)定SPS燒結(jié)爐的燒結(jié)壓力為80MPa、升溫速率為100°C /min,升溫至1750°C后在該溫度和80MPa保持3min，繼后隨爐冷卻至室溫，再將壓力降至常壓，即得W-K-0.1wt % Y多元合金塊體。
[0050](3)性能測試
[0051]①密度測量
[0052]采用阿基米德排水法測量步驟⑵所得W-K-0.lwt% Y合金的密度。結(jié)果顯示，樣品密度為18.96g/cm3，致密度為98.4%。采用現(xiàn)有方法制備純鎢和W-K合金，若要達(dá)到同等的致密度，燒結(jié)溫度必須在2300°C以上，說明本發(fā)明所述方法可明顯降低合金的燒結(jié)溫度。
[0053]②金相觀察
[0054]將步驟(2)所得W-K-0.1wt % Y合金樣品拋光侵蝕后在金相顯微鏡下觀察金相組織，發(fā)現(xiàn)其晶粒尺寸為2.7 μ m，而相同致密度條件下，純鎢的晶粒尺寸為163.4 μ m，W-K合金的晶粒尺寸為8.1 μ m, ff-K-0.1wt % Y合金、純鎢以及W-K合金拋光侵蝕后的金相圖像如圖1所示，本實(shí)施例制備的W-K-0.1wt% Y合金的晶粒尺寸更小,這對(duì)于提高多元合金材料的力學(xué)性能以及抗輻照性能非常關(guān)鍵。
[0055]③硬度測量
[0056]利用HV-1000D硬度計(jì)對(duì)步驟(2)所得W-K-0.1wt % Y合金樣品進(jìn)行顯微硬度測量，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:加載力為1.96N，保持時(shí)間為10s。結(jié)果表明W-K-0.lwt% Y合金的顯微硬度為434.708，而純鎢的顯微硬度為360.378，W-K合金的顯微硬度為387.033，由此可見本發(fā)明所述多元合金的顯微硬度較純鎢和W-K合金有明顯提高。
[0057]④熱沖擊測試
[0058]采用電子束測試裝置EMS-60對(duì)步驟(2)所得W-K-0.1wt % Y合金樣品進(jìn)行熱沖擊測試，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:加速電壓120kV，電子束電流40mA，輻照區(qū)域4X4mm2，熱流密度300MW/m2。采用相同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)純鎢和W-K合金進(jìn)行熱沖擊測試。采用金相顯微鏡觀察熱沖擊實(shí)驗(yàn)之后的樣品，結(jié)果如圖2所示，由圖2可知，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，純鎢和W-K合金出現(xiàn)了裂紋，材料失效，而W-K-0.lwt% Y合金表面未出現(xiàn)裂紋，僅有輕微的塑性形變，該合金經(jīng)受住了高熱流密度的考驗(yàn)。
[0059]實(shí)施例3
[0060](I) W-K-1wt % Y合金粉體的高能球磨
[0061]本實(shí)施例中，以W-K合金粉末和Y粉為原料，W-K合金粉末中K的含量為0.007wt%。
[0062]將W-K合金粉末和Y粉在超低氧手套箱中拆封，然后采用精度為0.0Olg的電子天平稱量W-K合金粉末158.410g，Y粉1.598g，隨后將可抽真空的硬質(zhì)合金球磨罐放入超低氧手套箱中，將稱量好的W-K合金粉末和Y粉加入所述球磨罐中，再在超低氧手套箱中稱量硬質(zhì)合金磨球并加入球磨罐中，磨球的質(zhì)量與W-K合金粉末和Y粉的總質(zhì)量之比為5:1，其中，直徑為1mm與直徑為6mm的磨球質(zhì)量比為1:2 ;控制球磨罐的裝填系數(shù)為0.2~0.4 ;超低氧手套箱工作的技術(shù)指標(biāo)為:氧含量低于0.lppm、水含量低于0.lppm，工作氣體為純度高于99.99%的氬氣。
[0063]將球磨罐從超低氧手套箱中取出，對(duì)球磨罐抽真空至罐中的壓強(qiáng)為3Xl(T3Pa，然后充入氫氣含量為7vol.%、！!氣含量為93vol.%的氫-1S混合氣至球磨罐中的壓強(qiáng)為7 X 14Pa,再將球磨罐裝入球磨機(jī)中，以250rpm的轉(zhuǎn)速,球磨40h。
[0064](2)放電等離子體燒結(jié)(SPS)
[0065]稱取步驟(1)所得混合粉體7g，裝入直徑15_的石墨模具中，然后將裝好的石墨模具放入放電等離子體燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，設(shè)定SPS燒結(jié)爐的燒結(jié)壓力為80MPa、升溫速率為100°C /min,升溫至1750°C后在該溫度和80MPa保持3min，繼后隨爐冷卻至室溫，再將壓力降至常壓，即得W-K-1wt % Y多元合金塊體。
[0066](3)性能測試
[0067]①密度測量
[0068]采用阿基米德排水法測量步驟⑵所得W-K-lwt% Y合金的密度。結(jié)果顯示，樣品密度為18.648/cm3，致密度為97.52%。采用現(xiàn)有方法制備純鎢和W-K合金，若要達(dá)到同等的致密度，燒結(jié)溫度必須在2300°C以上，說明本發(fā)明所述方法可明顯降低合金的燒結(jié)溫度。
[0069]②金相觀察
[0070]將步驟⑵所得W-K-lwt% Y合金樣品拋光侵蝕后在金相顯微鏡下觀察金相組織，發(fā)現(xiàn)其晶粒尺寸為1.3 μ m，而相同致密度條件下，純鎢的晶粒尺寸為163.4 μ m，W-K合金的晶粒尺寸為8.1 μ m, W-K-1wt % Y合金、純鎢以及W-K合金拋光侵蝕后的金相圖像如圖1所示，本實(shí)施例制備的W-K-lwt% Y合金的晶粒尺寸更小,這對(duì)于提高多元合金材料的力學(xué)性能以及抗輻照性能非常關(guān)鍵。
[0071]③硬度測量
[0072]利用HV-1000D硬度計(jì)對(duì)步驟⑵所得W-K-1wt % Y合金樣品進(jìn)行顯微硬度測量，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:加載力為1.96N，保持時(shí)間為10s。結(jié)果表明W-K-1wt % Y合金的顯微硬度為454.578，而純鎢的顯微硬度為360.378，W-K合金的顯微硬度為387.033，由此可見本發(fā)明所述多元合金的顯微硬度較純鎢和W-K合金有明顯提高。
[0073]實(shí)施例4
[0074](l)W-K-0.1wt% T1-0.1wt% Y 合金粉體的高能球磨
[0075]本實(shí)施例中，以W-K合金粉末、Ti粉和Y粉為原料，W-K合金粉末中K的含量為0.007wt%。
[0076]將W-K合金粉末、Ti粉和Y粉在超低氧手套箱中拆封，然后采用精度為0.0Olg的電子天平稱量W-K合金粉末159.680g, Ti粉0.160g, Y粉0.160g,隨后將可抽真空的硬質(zhì)合金球磨罐放入超低氧手套箱中，將稱量好的W-K合金粉末、Ti粉和Y粉加入所述球磨罐中，再在超低氧手套箱中稱量硬質(zhì)合金磨球并加入球磨罐中，磨球的質(zhì)量與w-κ合金粉末、Ti粉以及Y粉三者的總質(zhì)量之比為5:1，其中，直徑為1mm與直徑為6mm的磨球質(zhì)量比為1:2 ;控制球磨罐的裝填系數(shù)為0.2~0.4 ;超低氧手套箱工作的技術(shù)指標(biāo)為:氧含量低于0.lppm、水含量低于0.lppm,工作氣體為純度高于99.99%的気氣。
[0077]將球磨罐從超低氧手套箱中取出，對(duì)球磨罐抽真空至罐中的壓強(qiáng)為3X10_3Pa，然后充入氫氣含量為7vol.%、！!氣含量為93vol.%的氫-1S混合氣至球磨罐中的壓強(qiáng)為7 X 14Pa,再將球磨罐裝入球磨機(jī)中，以250rpm的轉(zhuǎn)速,球磨40h。
[0078](2)放電等離子體燒結(jié)(SPS)
[0079]稱取步驟⑴所得混合粉體7g，裝入直徑15mm的石墨模具中，然后將裝好的石墨模具放入放電等離子體燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，設(shè)定SPS燒結(jié)爐的燒結(jié)壓力為80MPa、升溫速率為100°C /min,升溫至1750°C后在該溫度和80MPa保持3min，繼后隨后隨爐冷卻至室溫，再將壓力降至常壓，即得W-K-0.1wt% T1-0.1wt% Y多元合金塊體。
[0080](3)性能測試
[0081]①密度測量
[0082]采用阿基米德排水法測量步驟⑵所得W-K-0.1wt% T1-0.1wt% Y合金的密度。結(jié)果顯示，樣品密度為19.018g/cm3，致密度為98.74%。采用現(xiàn)有方法制備純鎢和W-K合金，若要達(dá)到同等的致密度，燒結(jié)溫度必須在2300°C以上，說明本發(fā)明所述方法可明顯降低合金的燒結(jié)溫度。
[0083]②金相觀察
[0084]將步驟⑵所得W-K-0.1wt % T1-0.1wt % Y合金樣品拋光侵蝕后在金相顯微鏡下觀察金相組織，發(fā)現(xiàn)其晶粒尺寸為2.9 μ m，而相同致密度條件下，純鎢的晶粒尺寸為163.4 μ m, W-K合金的晶粒尺寸為8.lym, ff-K-0.1wt % T1-0.1wt% Y合金、純鎢以及W-K合金拋光侵蝕后的金相圖像如圖1所示，本實(shí)施例制備的W-K-0.1wt% T1-0.lwt% Y合金的晶粒尺寸更小，這對(duì)于提高多元合金材料的力學(xué)性能以及抗輻照性能非常關(guān)鍵。
[0085]③硬度測量
[0086]利用HV-1000D硬度計(jì)對(duì)步驟⑵所得W-K-0.1wt % T1-0.1wt % Y合金樣品進(jìn)行顯微硬度測量，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:加載力為1.96N，保持時(shí)間為10s。結(jié)果表明W-K-0.1wt %T1-0.1wt % Y合金的顯微硬度為446.142，而純鎢的顯微硬度為360.378，W-K合金的顯微硬度為387.033，由此可見本發(fā)明所述多元合金的顯微硬度較純鎢和W-K合金有明顯提高。
[0087]實(shí)施例5
[0088](l)ff-K-0.1wt% Ti合金粉體的高能球磨
[0089]本實(shí)施例中，以W-K合金粉末和Ti粉為原料，W-K合金粉末中K的含量為0.01wt % ο
[0090]將W-K合金粉末和Ti粉在超低氧手套箱中拆封，然后采用精度為0.0Olg的電子天平稱量W-K合金粉末159.840g，Ti粉0.160g,隨后將可抽真空的硬質(zhì)合金球磨罐放入超低氧手套箱中，將稱量好的W-K合金粉末和Ti粉加入所述球磨罐中，再在超低氧手套箱中稱量硬質(zhì)合金磨球并加入球磨罐中，磨球的質(zhì)量與W-K合金粉末和Ti粉的總質(zhì)量之比為2:1，其中，直徑為1mm與直徑為6mm的磨球質(zhì)量比為1:2 ;控制球磨罐的裝填系數(shù)為0.2~0.4 ;超低氧手套箱工作的技術(shù)指標(biāo)為:氧含量低于0.lppm、水含量低于0.lppm,工作氣體為純度高于99.99%的氬氣。
[0091]將球磨罐從超低氧手套箱中取出，對(duì)球磨罐抽真空至罐中的壓強(qiáng)為2Xl(T3Pa，然后充入氫氣含量為1vol.%、！!氣含量為90vol.%的氫-1S混合氣至球磨罐中的壓強(qiáng)為6 X 14Pa,再將球磨罐裝入球磨機(jī)中，以150rpm的轉(zhuǎn)速,球磨60h,實(shí)現(xiàn)粉體的混合與合金化。
[0092](2)放電等離子體燒結(jié)(SPS)
[0093]稱取步驟(1)所得混合粉體7g，裝入直徑15_的石墨模具中，然后將裝好的石墨模具放入放電等離子體燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，設(shè)定SPS燒結(jié)爐的燒結(jié)壓力為lOOMPa、升溫速率為100°C /min，升溫至1600°C后在該溫度和10MPa保持6min，繼后隨爐冷卻至室溫，再將壓力降至常壓，即得W-K-0.1wt % Ti多元合金塊體。
[0094]實(shí)施例6
[0095](l)ff-K-0.5wt% Y合金粉體的高能球磨
[0096]本實(shí)施例中，以W-K合金粉末和Y粉為原料，W-K合金粉末中K的含量為0.002wt % ο
[0097]將W-K合金粉末和Y粉在超低氧手套箱中拆封，然后采用精度為0.0Olg的電子天平稱量W-K合金粉末159.200g, Y粉0.800g,隨后將可抽真空的硬質(zhì)合金球磨罐放入超低氧手套箱中，將稱量好的W-K合金粉末和Y粉加入所述球磨罐中，再在超低氧手套箱中稱量硬質(zhì)合金磨球并加入球磨罐中，磨球的質(zhì)量與W-K合金粉末和Y粉的總質(zhì)量之比為10:1，其中，直徑為1mm與直徑為6mm的磨球質(zhì)量比為1:2 ;控制球磨罐的裝填系數(shù)為0.2~0.4 ;超低氧手套箱工作的技術(shù)指標(biāo)為:氧含量低于0.lppm、水含量低于0.lppm，工作氣體為純度高于99.99%的氬氣。
[0098]將球磨罐從超低氧手套箱中取出，對(duì)球磨罐抽真空至罐中的壓強(qiáng)為3X10_3Pa，然后充入氫氣含量為3vol.%、！!氣含量為97vol.%的氫-1S混合氣至球磨罐中的壓強(qiáng)為7 X 14Pa,再將球磨罐裝入球磨機(jī)中，以400rpm的轉(zhuǎn)速,球磨20h,實(shí)現(xiàn)粉體的混合與合金化。
[0099](2)放電等離子體燒結(jié)(SPS)
[0100]稱取步驟(1)所得混合粉體7g，裝入直徑15_的石墨模具中，然后將裝好的石墨模具放入放電等離子體燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，設(shè)定SPS燒結(jié)爐的燒結(jié)壓力為40MPa、升溫速率為300°C /min,升溫至1900°C后在該溫度和40MPa保持lmin，繼后隨爐冷卻至室溫，再將壓力降至常壓，即得W-K -0.5wt% Y多元合金塊體。
【權(quán)利要求】
1.基于鎢-鉀合金的多元合金的制備方法，其特征在于工藝步驟如下: (1)在氧含量低于0.lppm、水含量低于0.1ppm的気氣氛圍中稱量鶴-鉀合金粉末、金屬X粉末和磨球并加入球磨罐中，對(duì)球磨罐抽真空至罐中的壓強(qiáng)為(2~3) Xl(T3Pa，然后向球磨罐中充氫氣與氬氣的混合氣體，當(dāng)罐中的壓強(qiáng)為(6~7) X 14Pa時(shí)進(jìn)行球磨形成混合粉體，球磨時(shí)間為20~60h ； 所述金屬X粉末的量為鶴-鉀合金粉末和金屬X粉末總質(zhì)量的0.1 %~1.0%,金屬X為T1、Y中的至少一種，所述鎢-鉀合金粉末中K的含量為0.002wt%~ 0.01wt% ； (2)將步驟(1)所得混合粉體裝入模具中，然后將裝入混合粉體的模具放入放電等離子體燒結(jié)爐中，在40~100MPa、1600~1900°C燒結(jié)I~6min，繼后隨爐冷卻至室溫，再將壓力降至常壓，即得到基于鎢-鉀合金的多元合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于鎢-鉀合金的多元合金的制備方法，其特征在于所述鎢-鉀合金粉末的粒徑≤10 μ m,純度高于99.9% ;所述金屬X粉末的粒徑≤100 μ m,純度聞?dòng)?9.9 % ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于鎢-鉀合金的多元合金的制備方法，其特征在于所述氫氣與氬氣的混合氣體中，氫氣含量為3V01%~1vol %，氬氣的含量為90VOl%~97vol%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于鎢-鉀合金的多元合金的制備方法，其特征在于步驟(I)中磨球的質(zhì)量與鎢-鉀合金粉末和金屬X粉末總質(zhì)量之比為(2~10):1。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于鎢-鉀合金的多元合金的制備方法，其特征在于步驟(1)中磨球的質(zhì)量與鎢-鉀合金粉末和金屬X粉末總質(zhì)量之比為(2~10):1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于鎢-鉀合金的多元合金的制備方法，其特征在于步驟(I)中以150~400rpm的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于鎢-鉀合金的多元合金的制備方法，其特征在于步驟(1)中以150~400rpm的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于鎢-鉀合金的多元合金的制備方法，其特征在于步驟(I)中球磨罐的裝填系數(shù)為0.2~0.4。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于鎢-鉀合金的多元合金的制備方法，其特征在于步驟(1)中球磨罐的裝填系數(shù)為0.2~0.4。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述方法制備的基于鎢-鉀合金的多元合金。
【文檔編號(hào)】C22C27/04GK104164579SQ201410363438
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】唐軍, 黃波, 楊吉軍, 肖野 申請(qǐng)人:四川大學(xué)