[发明专利]一种钾碳化锆共掺杂钨合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钾碳化锆共掺杂钨合金及其制备方法，钨合金由K、Al、Si、ZrC和W组成，按重量百分比计，K含量为0.003~0.03%，ZrC含量为0.1~1.5%，Al、Si合金元素的总含量小于等于0.05%，W含量为98.4~99.85%，其余为杂质。本发明的钨合金具有优异的低温韧性、高温强度和高温稳定性，在150℃即具有明显塑性；强度远高于钾掺杂钨和纯钨，也显著高于钨‑碳化锆合金；在1600℃退火1小时后，本发明的钨合金在500℃的强度比相同条件的钾掺杂钨及钨‑碳化锆合金提高40%以上。本发明的抗等离子体刻蚀性能与钨‑碳化锆合金相近，但优于钾掺杂钨和纯钨。

技术领域

本发明属于聚变堆面向等离子体壁材料领域，具体涉及一种钾碳化锆共掺杂钨合金，本发明还涉及该钨合金的制备方法。

背景技术

核聚变反应堆中的面向等离子体壁材料需要在高温、高热负荷冲击、高能粒子轰击等极端苛刻的条件下服役，是聚变能开发的关键。金属钨由于其具有高熔点、高强度、低热膨胀系数、高热导率、抗溅射、低氘氚滞留等特性，被认为是最有希望的聚变堆面向等离子体壁候选壁材料之一。然而，钨存在室温脆性(商业纯钨的韧脆转变温度约400℃)、再结晶脆化(纯钨再结晶温度范围约为1100～1300℃)及辐照脆化等不足，而且纯W在1000℃以上高温下强度大幅降低，这些都限制了钨材料在核聚变堆中的应用。因此，需要不断提升钨合金的韧性、高温强度和高温稳定性，从而为未来聚变堆所需的面向等离子体壁材料的开发打下基础，同时高性能的钨合金在国防及高温工业领域也有很好的应用前景。

为了改善金属钨的强度和韧性，人们开展了大量研究和尝试，使钨的性能得到了显著提高。在钨中添加高熔点第二相颗粒，如碳化钛、碳化锆、氧化镧、氧化钇等，能够起到弥散强化和细化钨晶粒的作用，可以提高钨的高温强度和再结晶温度，但是往往又导致韧性的降低，其主要原因在于粗大第二相颗粒在晶界处偏聚导致应力集中和脆化。YujinWang发表的题为“Influence of ZrC content on the elevated temperature tensileproperties of ZrC_p/W composites”，《Materials Science and EngineeringA》528(2011)1805-1811的研究报道的ZrC颗粒增强的钨材料中，ZrC的粒径为微米级别，ZrC的添加量为20～50％体积分数，其特点是热导率低、抗高温抗烧蚀性能好，但是韧性很低。又如周玉等在专利CN99120173中公开了一种碳化锆颗粒增强钨复合材料的制备方法，该复合材料中碳化物颗粒的体积分数为10％～50％，可以改善钨的高温强度、抗氧化和耐烧蚀能力，但碳化物颗粒含量高且尺寸大，导致材料的韧性和导热性能降低，不能满足聚变堆面向等离子体壁对高强韧、高热导率合金材料的需求。

针对上述问题，本申请人团队在专利“一种纳米结构钨-碳化锆合金及其制备方法”(CN 104388789B)以及发表的题为“Extraordinary high ductility/strength of theinterface designed bulk W-ZrC alloy plate at relatively low temperature”，《Scientific Reports》5(2015)16014的论文中，通过调控钨中碳化锆的尺寸和分布，使合金中的第二相为纳米尺寸且大多在晶粒内分布，利用晶粒内的纳米第二相颗粒钉扎或阻塞位错而提高强度，又避免了大颗粒在晶界处偏聚导致的应力集中和脆化，同时碳化锆还能吸收钨中的杂质氧，从而降低氧对钨的脆化作用，提高韧性，研制的纳米结构钨-碳化锆合金具有高强韧、良好导热性能以及优异的抗热冲击性能。