[发明专利]超细氧化钇掺杂钨复合前驱体粉末的制备方法

说明书

技术领域

本发明提出了一种在湿化学法中施加表面活性剂和超声处理来制备超细W-Y₂O₃复合前驱体粉末的技术，属于粉体制备工程技术领域。

背景技术

钨基材料因具有热膨胀系数小、抗蚀性和抗氧化性能好、导电导热性能好、强度高、延性好、抗冲击韧性好以及射线吸收能力好等优异性能而被广泛应用于信息、能源、冶金、航空航天、国防军工和核工业等领域。同时，钨基材料也被认为是最具前途的面向等离子体材料(PFM)。但是，钨基材料所具有的脆性一直是限制其在核聚变领域应用的难题，包括低温脆性、再结晶脆性和中子辐照脆性。

研究表明提高钨基合金性能的有效途径是减小合金的晶粒度至超细尺寸，甚至达到纳米级尺寸。超细合金引入的大量晶界能够优化杂质元素的均匀性分布，从而降低其韧脆转变温度。同时，超细钨基合金能够很好地阻碍其在高温时的回复和再结晶，不仅提高了再结晶温度，而且降低了钨基合金的低温脆性。此外，相关的研究表明细晶钨较粗晶钨在同等剂量中子辐照下会产生较少的缺陷，抗辐照能力明显增强，并认为这与纳米材料的自我修复机制有关。因此，开发新的制备工艺获得超细晶组织，进而提高高温力学性能、抑制再结晶脆化和改善抗中子辐照能力成为实现钨基材料在核聚变PFM中应用的关键。在制备超细钨基合金时所采用的前驱体粉末粒度要比一般的前驱体粉末细的多，而且这类粉末具有极高的烧结活性，因此主要的技术难题是超细前驱体粉末的制备及后续合金的烧结。

近期发展的第二相(主要为碳化物和氧化物)弥散钨基材料在这一方面取得了较好的效果，其中尤以高温性质稳定的Y₂O₃添加效果显著。弥散分布于晶界的细小氧化物粒子可以阻碍高温条件下晶界的迁移和晶粒的长大，能够显著提高钨基合金的再结晶温度和组织稳定性。而弥散分布于晶粒内部的氧化物颗粒则可有效钉扎、积累位错进而提高材料的加工硬化能力，最终达到细化晶粒和改善钨基材料各项性能的效果。目前W-Y₂O₃复合纳米先驱粉的制备大多采用钨粉和Y₂O₃粉球磨合金化的路线，这种方法会导致Y₂O₃第二相颗粒尺寸不均匀且主要偏聚在钨基体晶界处，不能很好地弥散分布到钨晶体内，这大大削弱了Y₂O₃对钨合金性能的改善效果，尤其是韧脆转变温度、再结晶温度和组织均匀性等指标。针对以上研究现状，借鉴新兴的化学法在制备纳米复合粉体时能实现高纯度、均匀性混合以及对微量掺杂颗粒的分布、大小和形状实现精确调控的优势，本发明提出了在原始液相化学法的基础上施加超声处理和表面活性剂来原位制备超细的W-Y₂O₃复合先驱体粉末。

发明内容

本发明通过在湿化学反应过程中施加表面活性剂和超声处理来制备超细W-Y₂O₃复合前驱体粉末。该技术能够使得到的复合前驱体粉末的平均晶粒尺寸达到10nm左右，并且晶粒尺寸的均匀性良好。同时，Y₂O₃也实现了均匀性掺杂，为后序烧结获得细晶致密的钨基合金打下了良好的基础。

具体技术方案如下:

一种超细氧化钇掺杂钨复合前驱体粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)将仲钨酸铵、硝酸钇六水合物、表面活性剂溶于去离子水或蒸馏水中，用机械搅拌和超声处理使其分散、溶解，制得溶液；

(2)将浓度为65％～68％HNO₃在机械搅拌和超声条件下加入上述溶液中进行化学沉淀反应，形成悬浮液；

(3)将无水乙醇加入悬浮液中并在机械搅拌和超声条件下继续反应，将反应后的悬浮液进行过滤并用无水乙醇或蒸馏水清洗所获得的沉淀物；

(4)将得到的沉淀物置于干燥箱中干燥后研磨得到复合粉末，然后将该复合粉末置于管式炉中，在氮气或氩气气流中煅烧得到W-Y₂O₃复合氧化物粉末；

(5)在管式炉中用纯净的氢气进行两步还原得到超细氧化钇掺杂钨复合前驱体粉末。

所述步骤(1)中表面活性剂选用下列中的一种：聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠或聚乙二醇。

所述步骤(1)中仲钨酸铵在溶液中的浓度为：0.08～0.33g/mL；硝酸钇六水合物的质量为仲钨酸铵质量的2.5％～12.9％；表面活性剂的质量为仲钨酸铵质量的2.5％～25％。