[发明专利]一种具有良好自钝化行为的高致密纳米W合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有良好自钝化行为的高致密纳米W合金及其制备方法，其中纳米W合金的组分按质量百分比包括：基本组元W，钝化元素Cr，以及活化元素Y和Zr；其中10wt.％≤Cr≤13wt.％，0wt.％＜活化元素总量≤2wt.％，余量为W。本发明通过控制烧结时的烧结温度、压力、加热速率和保温时间等工艺参数，以获得高致密、纳米W合金。在烧结温度为1150℃、外加载荷为90MPa的条件下，获得相对密度高于98.5％，晶粒尺寸小于100nm的W合金。本发明纳米W‑合金表现出良好的自钝化行为，在1000℃、空气气氛下，热震氧化165h后，其氧化增重仅为7.8mg/cm²。

技术领域

本发明属于极端条件下(高温、氧化)应用的高温合金领域，具体涉及一种具有良好自钝化行为的高致密纳米W合金及其制备方法。

背景技术

钨(W)具有高熔点、高热导率、优异的抗粒子溅射性能以及良好的高温力学性能等决定性的优势，在核能、电子器件、军事、航空航天等工程领域具有广泛的应用前景，特别是极端高温条件下的应用。然而，在极端高温下，W非常容易氧化，必然影响其在高温下的应用。比如：核聚变第一壁用W材料高温氧化时，具有放射性核素的W氧化、挥发，从而存在核放射性泄露的风险。因此，为了满足W在极端高温条件下的应用，开发出一种具有良好抗氧化性能的W合金材料非常有必要。自钝化钨合金(SPTA)通过添加的合金化元素可在其表面形成一层致密、保护性的氧化层，避免W进一步氧化而表现出自钝化行为。

研究表明，SPTA的密度越高、晶粒越细、组织越均匀，其抗氧化性能也就越好。对于高熔点W材料来说，一般采用粉末冶金技术制备W合金块体，包括W合金粉体制备和后续粉体致密化。采用机械合金化技术制备均质的W合金粉体，有利于获得组织均匀的SPTA块体。目前，一般采用有压烧结对W合金粉体进行致密化，以获得高致密、晶粒细小的SPTA，例如热压、热等静压等。然而，低温长时间的有压烧结，一方面不利于SPTA组织均质化；另一方面高温长时间烧结必然导致晶粒的长大。因此，实现均质粉体在低温下快速致密化，有望获得均质、细晶的SPTA块体。

场辅助烧结技术(FAST)利用脉冲直流电流的电流场和轴向外加载荷的应力场对烧结粉体进行致密化，是实现难熔金属材料在低温快速致密化的有效方式之一。在FAST致密化过程中，升温速率(≥100℃/min)时，可以有效地避免SPTA块体晶粒的长大，且有利于其组织均匀化。另外，施加于粉体上的外加载荷，在低温时可以促进粉体的位移和重排；在高温下可以促进物质扩散和塑性流动，均有利于粉体的致密化。纳米SPTA中拥有大量的晶界，可在高温氧化时为Cr阳离子提供快速扩散的通道，这有利于表面致密、保护性的氧化层形成，使W合金表现出更好的自钝化行为。因此，本发明主要通过调控FAST烧结过程中的烧结温度、外加载荷和保温时间，以制备出高致密、良好自钝化行为的纳米W合金。

发明内容

本发明旨在提供一种具有良好自钝化行为的高致密纳米W合金及其制备方法，结合机械合金化和场辅助烧结技术(FAST)对获得的均质W合金粉体进行致密化。通过控制FAST工艺参数(比如：降低烧结温度、缩短保温时间、增大外加载荷和提高升温速率等)，解决W合金晶粒在致密化过程中容易长大的问题，以获得高致密、具有良好自钝化行为的纳米W合金。

本发明具有良好自钝化行为的高致密纳米W合金，其组分按质量百分比包括：

基本组元W，钝化元素Cr，以及活化元素Y和Zr。

其中10wt.％≤Cr≤13wt.％，0wt.％＜活化元素总量≤2wt.％，余量为W。

进一步地，活化元素中Y和Zr的质量比为3：2。

根据W合金中元素种类数量，将W-Cr-Y-Zr合金命名为ZW4(“Z”和“W”分别表示“自钝化”和“钨合金”；4表示W合金中元素的种类数)。

本发明纳米W合金的相对密度≥98.5％，晶粒尺寸≤100nm。