[发明专利]一种超细晶Sc2O3掺杂W基复合材料及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种W基复合材料及其制备方法，具体地说是一种超细晶Sc₂O₃掺杂W基复合材料及其制备方法。

二、背景技术

受控热核聚变能是人类的终极理想清洁能源，几乎不会带来放射性污染等环境问题，其燃料氘大量存在于海水之中,取之不尽用之不竭，被认为是可有效解决人类未来能源需求的主要途径。其原理是利用D和T在发生核聚变反应时产生He和中子，并释放大量的能量。经过国际间的不懈努力，其科学可行性已在磁约束聚变装置托卡马克(Tokamak)上得到证实。这种聚变能只有在长时间高温和高的等离子体(D和T)密度的条件下产生。要实现对这种能源的使用，对材料提出很高的要求。面向等离子体材料(PFMs，Plasma Facing Materials)，是指在磁约束可控热核聚变反应装置中直接面对等离子体的第一壁(FW，First Wall)和偏滤器(divertor)、限制器(limiter)的装甲材料。目前世界上已有的材料中还没有任何一种能胜任第一壁的工作要求。

钨以其高熔点，高导热，高温强度，低溅射，不与氢发生化学反应及氢滞留极低等特性被视为是最有前景的面向等离子体候选材料之一。然而在恶劣的工作环境下，钨作为面对等离子体材料(PFM)存在一些列的脆性问题，包括低的韧脆转变温度(DBTT)的室温脆性、低的再结晶温度(RCT)的再结晶脆性、辐照引起的辐照脆性，限制了其在聚变堆中的应用。为了解决这类问题，一般在钨基材料中添加第二相颗粒用以阻碍晶界滑移稳定微观组织，阻碍再结晶和晶粒长大，从而提高材料高温性能和抗蠕变强度。目前有添加一些韧性相(如Ti、Ta和V等)改变材料的成分来改善室温脆性；也有用机械球磨和湿化学法的方法添加第二相碳化物(TiC、TaC和HfC等)和氧化物(La₂O₃、Y₂O₃和CeO₂等)改变材料的组织结构来改善材料的高温脆性和辐照脆性。

三、发明内容

本发明旨在提供一种超细晶Sc₂O₃掺杂W基复合材料及其制备方法，通过Sc₂O₃掺杂W基复合材料起到细晶强化、弥散强化的效果。所要解决的技术问题是使W基复合材料在烧结过程中晶粒得到细化的同时获得高性能的钨基材料。

本发明超细晶Sc₂O₃掺杂W基复合材料，是由W和稀土氧化物Sc₂O₃组成，复合材料中Sc₂O₃的体积百分比为0.5-2％，余量为W。

本发明超细晶Sc₂O₃掺杂W基复合材料的制备方法，包括机械合金化球磨、还原和放电 等离子烧结各单元过程：

所述机械合金化球磨是将WO₃粉和Sc₂O₃粉置于球磨罐中湿磨40h，得到复合粉体前驱体，球料比为10：1，转速为400r/min。所述WO₃粉粒径为200nm，Sc₂O₃粉粒径为3-15μm。复合粉体前驱体中Sc₂O₃粉的体积百分比为0.5-2％，余量为W。复合粉体前驱体的粒径为100nm。湿磨时使用的溶剂介质为酒精。

所述还原是将复合粉体前驱体研磨后放入管式中温烧结炉中，在H₂气氛下烧结还原，得到W/Sc₂O₃复合粉体。还原后所得W/Sc₂O₃复合粉体粒径为150nm。

烧结还原的工艺参数为：以5℃/min的升温速率升温至900℃保温1h，以5℃/min的降温速率降至500℃后随炉冷却至室温。烧结还原的过程中一直保持H₂流通。

所述的H₂为纯度≥99.999％的氢气。

所述放电等离子烧结是将W/Sc₂O₃复合粉体利用放电等离子烧结工艺，在加压、氩气气氛下烧结，得到高致密度的超细晶Sc₂O₃掺杂W基复合材料，所得材料直径20mm，厚度2-3mm。