[发明专利]W-V合金功能梯度材料及其放电等离子体烧结方法

说明书

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种应用于聚变能的功能性材料的制备，具体涉及一种W-V合金功能梯度材料以及利用放电等离子体烧结技术制备W-V合金功能梯度材料的方法。

背景技术

聚变能技术的发展不仅依赖于关键材料的选择，还依赖于影响关键材料的性能的材料制备技术以及多种关键材料连接技术。以钨(W)和钒(V)为例，W具有较强的抗等离子体冲刷能力、较低的溅射率等优点，W及其合金是理想的面向等离子体材料的候选材料，也是最有希望用作聚变堆中的面向等离子体材料；V比起其它材料具有低活化性，优良的高温强度性和优异的低温延展性等，V及其合金被科学家普遍认为具有用作聚变堆热沉材料的潜力。上述两种材料均是聚变能技术的关键材料；但由于面向等离子体材料与热沉材料的热物理性能，特别是热膨胀系数差异大，在部件制备和部件运行过程中将产生很大的热应力，从而使部件过早失效，部件使用成本较高；这使得面向等离子体部件连接接头的设计和制备成为一个难点和热点。

本发明针对核聚变装置中需要实现面向等离子体材料与热沉材料有效连接的制造要求，开展了面向等离子体材料W与热沉材料V的连接技术的研究。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种从W过渡到V且各梯度层分布均匀、结合良好、无裂纹的W-V合金功能梯度材料。

本发明另一目的旨在提供一种上述W-V合金功能梯度材料的放电等离子体烧结方法。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案来实现。

本发明提供了一种W-V合金功能梯度材料，由位于两边的W层、V层以及位于W层和V层之间的若干W-V合金层烧结成型；各W-V合金层中的W组分含量从W层至V层成等梯度降低，V组分含量从W层至V层成等梯度升高。由于各W-V合金层中W组分含量从W层至V层成等梯度降低、V组分含量从W层至V层成等梯度升高，从而使最终烧结成型的W-V合金功能梯度材料各梯度层致密度高、分布均匀、结合良好，为聚变堆面向等离子体材料部件的选择提供更优质的候选材料。本发明中，位于W层和V层之间的W-V合金层为3-7层，以满足各W-V合金层中的W组分含量和V组分含量等梯度分布要求；当位于W层和V层之间的W-V合金层为4层时，各梯度层的致密度已经达到95％以上，且各梯度层之间结合性能良好，而W-V合金层仅为4层，可以简化制备工艺流程。

本发明进一步提供了一种W-V合金功能梯度材料的放电等离子烧结方法，步骤如下：

(1)在惰性氛围中，分别按照设定的W组分和V组分梯度分布配制W-V粉末；将不同配比W-V粉末分别加入球磨罐中，通过球磨使粉末混合均匀，形成合金粉末；

(2)在惰性氛围中，称量W粉末装入磨具中并压实，然后将该磨具放入放电等离子体烧结炉中，于60～80MPa、1750～1800℃条件下烧结成型，之后随炉冷却至室温，释放压力即得到W片；

(3)在惰性氛围中，称量与步骤(2)中W粉末相同体积的V粉末装入磨具中并压实；然后称取步骤(1)配制的、与步骤(2)中W粉末相同体积的合金粉末、并按照V重量百分比递减的顺序依次加入到盛有V粉末的磨具中并压实；再将步骤(2)所得W片放入最后一层合金粉末之上并压实；之后将磨具放入放电等离子体烧结炉中，W所在端朝上，于60～80MPa、1200～1400℃条件下烧结成型，然后释放压力，继而以50～100℃/min的速度冷却至800℃以下，再随炉冷却至室温，即得到W-V合金功能梯度材料。

传统工艺将W至V各梯度层一起烧结，但受限于V最高烧结温度达不到1750℃，故W的致密度低于95％。上述W-V合金功能梯度材料的放电等离子烧结方法，采用特殊的分次烧结工艺，将W层的烧结单独分离出来，能够保证W的烧结温度在1750～1800℃，从而使烧结后W片的致密度不低于95％；在第二次烧结过程中，首先在磨具中将粉末按照从V过渡到W的顺序加入合金粉末，再将V粉末层的烧结温度控制在1200～1400℃，烧结完成得到致密度超过95％、从W过渡到V且各层结合良好的W-V合金功能梯度材料。

上述W-V合金功能梯度材料的放电等离子烧结方法，为了防止W、V被氧化，步骤(1)-(3)中W、V粉末的称量均在惰性氛围下进行，这里的惰性氛围是指氧含量低于0.1ppm、水含量低于0.1ppm且不与W、V反应的氦气、氖气、氩气、氪气、氙气氮气等惰性气体提供的氛围，本发明使用的是常规氩气。