[发明专利]一种碳化钛强化细晶钨材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及粉末冶金领域，尤其是高性能细晶钨材料。

背景技术

金属钨具有高熔点、高热导率以及低溅射率、低热膨胀系数等一系列优点，成为未来聚变堆中偏滤器及第一壁面向等离子体（PFMs）最有前景的材料之一。然而，传统钨材料存在着一系列的缺点，如高的韧脆转变温度、低的再结晶温度和高温强度、辐照肿胀与脆化效应等，严重制约钨作为核聚变堆PFMs的应用。

目前，主要通过控制钨材料的成分及显微组织来改善钨的性能。获得具有第二相弥散均匀分布的细晶钨合金成为当前的研究热点。

TiC由于具有与钨相近的热膨胀系数和弹性模量而被广泛用作第二相来细化钨晶粒，提高其高温强度及抗辐照能力。国外学者Kitsunai等在TiC-W方面做了深入研究，通过机械合金化结合等静压以及热锻制备出了W-(0~1.5)wt%TiC复合材料，发现钨晶粒尺寸仅有1μm，且材料的强度、硬度得到明显提高，合金抗中子辐照以及抗He²⁺的能力得到显著改善。国内种法力等人利用机械合金化结合热压的方法在2100℃制备出了TiC-W合金，发现当TiC含量为1%时，抗弯强度最大，达1065MPa，能承受最大为6MW/m²的热流冲击，表明TiC作为第二相可有效细化晶粒，提高材料的强度及抗辐照能力。

然而，作为弥散强化相，纳米TiC颗粒由于比表面积大、比表面能高极易发生团聚从而失去弥散强化相应有的功能。目前，制备纳米W/TiC复合粉末主要采用机械合金化法，虽然此种方法能提高粉末烧结活性，并细化粉末，但长时间高能球磨不仅易于引入大量Ni、Fe等杂质。同时，机械合金化的粉末呈层片状，成形能力很差，难以制备较大尺寸的样件。

为解决以上问题，我们利用溶胶-喷雾干燥-热还原法制备了超细/纳米活化钨粉，该方法在2010年获得专利“一种超细或纳米活化钨粉的制备方法”（专利号：ZL201010049432.3）。与机械合金化粉末相比，该方法制备的粉末纯度高、成分均匀且球形度高，成型性好。但由于活性元素Ni在中子辐照作用下会脆化降低材料性能，同时纯钨粉末在烧结时存在着晶粒长大的问题，其晶粒度大于20μm以上，难以制备晶粒度小于10μm的细晶钨材料。碳化物粒子相加入到钨中可以较好地起到细化钨晶粒的作用，同时提高钨的抗中子辐照能力，我们前期向钨盐中加入ZrC/TiC粒子，通过溶胶-喷雾干燥-热还原的方法制备ZrC/TiC增强细晶钨材料，并在Journal of Nuclear Materials上发表文章“Micro/nano composited tungsten material and its high thermal loading behavior”。通过添加ZrC/TiC粒子相，材料的抗高热负荷能力大幅度提高。然而，该方法仅简单地将碳化物粒子加入到溶胶体中喷雾干燥，由于碳化物与盐溶液的相容性差，碳化物粒子容易产生团聚、偏聚和下沉，ZrC粒子不能有效地抑制晶粒长大，其晶粒度为10~15μm，力学性能较低（W-1wt%ZrC的抗拉性能为350MPa）。

发明内容

为解决上述问题，本发明首先设计球磨改性-溶胶-非均相沉淀-喷雾干燥-煅烧-热还原工艺制备纳米TiC-W复合粉末，通过将碳化物颗粒球磨改性制备粒度均一的纳米级碳化物粒子，提高其在溶液中的分散性；调节溶液pH值使纳米钨在碳化物表面沉淀，提高W与MeC的界面结合性能；进一步加入分散剂同时加入耐盐增稠剂，利用分散剂改变MeC粒子的表面电位，增稠剂螯合溶液中的盐离子，二者联合作用防止碳化物粒子沉降和团聚，形成纳米碳化物弥散均匀分散于液体中的悬浮胶体。将胶体进行喷雾干燥及热还原得球壳状TiC-W复合粉末，进一步将粉末高能球磨改善其成型性，最后将粉末进行两步强化烧结控制其晶粒长大。本发明制备的细晶钨材料致密度达99.0%以上，TiC颗粒在钨晶粒内及晶界处均匀分布，钨晶粒尺寸约为1~3μm，抗拉强度达450~600MPa。

本发明所提供的一种高性能超细晶TiC-W复合材料中TiC含量为0.1~2.0%，余量为钨。

为达到上述目的，本发明采用的具体实验方案如下：

（1）纳米TiC-W复合粉末的制备

①首先采用球磨方式对TiC粉末进行粉末改性处理，球磨改性工艺为球料比为1:1~5:1，转速为100~300rad/s，球磨时间为1~10h。