一種高抗熱沖擊W?TiC?Y₂O₃復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高抗熱沖擊W?TiC?Y2O3復(fù)合材料及其制備方法，其中高抗熱沖擊W?TiC?Y2O3復(fù)合材料的摻雜第二相為TiC與Y2O3，各組分按體積百分比構(gòu)成為：TiC 10?14％，Y2O3 2?4％，余量為W。本發(fā)明燒結(jié)后的塊體顆粒細(xì)化到亞微米級(jí)別，且第二相在晶界、晶內(nèi)分布均勻，從而提高了硬度，硬度值為710?725Hv。同時(shí)，在TiC與Y2O3協(xié)同作用也使得材料的抗熱沖擊性能較純鎢有明顯提高，在受到能量密度為1.0?1.2GW/m2的激光熱沖擊時(shí)，燒結(jié)后的復(fù)合材料較商業(yè)純鎢表面粗糙度較小，因熱沖擊誘導(dǎo)的裂紋數(shù)目更少、裂紋寬度更小，抗熱沖擊能力顯著提高。
【專利說(shuō)明】
_種局抗熱沖擊W-T i C-Y2O3復(fù)合材料及其制備方法
一、技術(shù)領(lǐng)域
[000? ]本發(fā)明涉及一種金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法，具體地說(shuō)是一種高抗熱沖擊W-TiC-Υ2θ3復(fù)合材料及其制備方法。
二、【背景技術(shù)】
[0002]受控?zé)岷司圩兡苁侨祟惿鐣?huì)未來(lái)的理想能源，被認(rèn)為是可以有效解決人類未來(lái)能源需求的主要出路之一。鎢具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)、對(duì)氘和氚的吸附量極小、放射性低、不與H反應(yīng)、抗派射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，從目前研究來(lái)看，媽被認(rèn)為是最有前景的PFMs(Plasma FacingMaterials)。但鎢材料面臨著韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)高、再結(jié)晶溫度低、輻照脆化等難題。國(guó)內(nèi)外研究人員采用了合金化、纖維增韌、大塑性變形、彌散強(qiáng)化等多種手段對(duì)鎢的性能進(jìn)行改善。氧化物具有最好的抗氧化燒蝕性能，向鎢中添加納米氧化物(如La2O3、Y2O3等)細(xì)化晶粒能提高鎢的高溫性能，其中Y2O3納米顆粒彌散的鎢材料在提高再結(jié)晶溫度、降低DBTT以及細(xì)化晶粒方面的效果較好。而氧化物在高溫等離子體沖擊時(shí)它的熔點(diǎn)較低，為了進(jìn)一步提高鎢合金的高溫性能，向鎢中加入具有更高熔點(diǎn)的碳化物，如TiC、ZrC等，可以制備出高強(qiáng)度的碳化物增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料。
[0003]目前，研究報(bào)道第二相摻雜鎢合金較多的制備技術(shù)有機(jī)械合金化、濕化學(xué)法、噴霧-干燥法、溶膠-凝膠法等，然而采用目前常規(guī)的粉體制備，細(xì)小的第二相碳化物、氧化物顆粒更易在基體材料的晶界處聚集長(zhǎng)大，影響了材料在長(zhǎng)期面對(duì)高溫等離子體沖擊下的使用性能。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在提供一種高抗熱沖擊W-TiC-Y2O3復(fù)合材料及其制備方法，通過(guò)熱機(jī)械法制備的W-TiC-Y2O3復(fù)合粉體使復(fù)合材料的硬度和抗熱沖擊性能得到提高。
[0005]本發(fā)明高抗熱沖擊W-TiC-Y2O3復(fù)合材料，其摻雜第二相為TiC與Y2O3,其中各組分按體積百分比構(gòu)成為= TiC 10-14%,Y2O3 2-4%，余量為W。
[0006]原始粉末粒度為:TiC顆粒尺寸為40-60納米，Y2O3顆粒尺寸為40-50納米。
[0007]本發(fā)明高抗熱沖擊W-TiC-Y2O3復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0008]1、氧化:將偏鎢酸銨(NH4)6H2W12O4q.XH2O(AMT)在箱式電阻爐中加熱到400°C，保溫I小時(shí)，得到黃色三氧化鎢；
[0009]2、球磨:將黃色三氧化鎢粉、TiC粉和Y2O3粉置于球磨罐中，球磨罐和磨球的材質(zhì)為WC，設(shè)定球磨機(jī)轉(zhuǎn)速300r/min，球料比10:1，球磨10-20小時(shí)，得到復(fù)合摻雜的前驅(qū)體粉末；
[0010]3、還原:將前驅(qū)體粉末放入真空管式燒結(jié)爐中還原得到W-TiC-Y2O3復(fù)合粉末；
[0011]還原反應(yīng)的參數(shù)設(shè)置為:還原氣氛為高純氫(純度99.999%)，還原溫度為800-900°C，還原時(shí)間為1-3小時(shí)，氫氣流速為400-700ml/min。
[0012]還原過(guò)程中，升溫速率為5°C/min，降溫速率10°C/min。
[0013]4、燒結(jié):將W-TiC-Y2O3復(fù)合粉末裝入石墨模具，再將模具放入放電等離子燒結(jié)爐中，室溫下對(duì)燒結(jié)爐抽真空，依次升溫至800 0C、1300 °C、1600 °C并分別保溫5min，在1000 °C時(shí)充入氬氣作為保護(hù)氣，燒結(jié)中控制壓力不超過(guò)47.3MPa，保溫結(jié)束后降至室溫，即得到W-Ti C-Y2O3復(fù)合材料。
[0014]燒結(jié)過(guò)程中，升溫速率為100°C/min，降溫速率為100°C/min。
[0015]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0016]AMT氧化得到的三氧化鎢為單斜晶體結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)比W大，球磨過(guò)程中更易有利于第二相TiC與Y2O3發(fā)生擴(kuò)散，因而可以縮短球磨時(shí)間減少球磨過(guò)程引入的雜質(zhì)，同時(shí)顯著增強(qiáng)晶界結(jié)合力。前驅(qū)體通過(guò)還原，獲得了顆粒均勻細(xì)小的復(fù)合粉末。燒結(jié)后的塊體顆粒細(xì)化到亞微米級(jí)別，且第二相在晶界、晶內(nèi)分布均勻，從而提高了硬度，硬度值為710-725Hv。同時(shí)，在TiC與Y2O3協(xié)同作用也使得材料的抗熱沖擊性能較純鎢有明顯提高，在受到能量密度為1.0-1.2GW/m2的激光熱沖擊時(shí)，燒結(jié)后的復(fù)合材料較商業(yè)純鎢表面粗糙度較小，因熱沖擊誘導(dǎo)的裂紋數(shù)目更少、裂紋寬度更小，抗熱沖擊能力顯著提高。
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。
四、【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是熱機(jī)械法制備的W-Ti C-Y2O3復(fù)合粉末的SEM照片。表明本發(fā)明制備的符合粉末粒度均勻，顆粒細(xì)小，尺寸為亞微米級(jí)。
[0019]圖2是熱機(jī)械法制備的W-Ti C-Y2O3復(fù)合材料表面腐蝕后的SEM照片，表明燒結(jié)體顆粒細(xì)小，約I微米左右，且第二相分布均勻，在晶界、晶內(nèi)均勻分布，有利于提高材料的強(qiáng)度。
[0020]圖3是在受到能量密度為1.07GW/m2的激光熱沖擊時(shí)，圖3a是W-TiC-Y2O3復(fù)合材料的表面SEM形貌，圖3b是商業(yè)純鎢SEM形貌。明顯看出，在受到熱沖擊后，W-TiC-Y2O3復(fù)合材料較純鎢表面粗糙程度較小，因熱沖擊誘導(dǎo)的裂紋數(shù)目更少、裂紋寬度更小，抗熱沖擊能力顯著提高。
五、【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1:
[0022]本實(shí)施例中高抗熱沖擊W-TiC-Y2O3復(fù)合材料，其摻雜第二相為TiC與Y2O3，其中各組分按體積百分比構(gòu)成為:TiC 10%,Y2O3 2%，余量為W。
[0023]原始粉末粒度為:TiC顆粒尺寸為40-60納米，Y2O3顆粒尺寸為40-50納米。
[0024]本實(shí)施例中高抗熱沖擊W-TiC-Y2O3復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0025]1、氧化:將26.52g偏鎢酸銨(NH4)6H2W12O4Q.XH2O(AMT)在箱式電阻爐中加熱到4000C，保溫I小時(shí)，得到黃色三氧化鎢；
[0026]2、球磨:將步驟I制備的黃色三氧化鎢粉、0.56g TiC粉和0.1lg Y2O3粉置于球磨罐中，球磨罐和磨球的材質(zhì)為WC，設(shè)定球磨機(jī)轉(zhuǎn)速300r/min，球料比10:1，球磨10小時(shí)，得到復(fù)合摻雜的前驅(qū)體粉末；
[0027]3、還原:將前驅(qū)體粉末放入真空管式燒結(jié)爐中還原，還原氣氛為高純氫(純度99.999%)，還原溫度為800 °C，還原時(shí)間為2小時(shí)，氫氣流速為600ml/min，得到W-TiC-Y2O3復(fù)合粉末；
[0028]4、燒結(jié):將W-TiC-Y2O3復(fù)合粉末裝入石墨模具，再將模具放入放電等離子燒結(jié)爐中，室溫下對(duì)燒結(jié)爐抽真空，依次升溫至800 0C、1300 °C、1600 °C并分別保溫5min，在1000 °C時(shí)充入氬氣作為保護(hù)氣，燒結(jié)中控制壓力不超過(guò)47.3MPa，保溫結(jié)束后降至室溫，即得到W-Ti C-Y2O3復(fù)合材料。
[0029]燒結(jié)后的復(fù)合材料晶粒尺寸約I微米，第二相分布均勻，從而提高了硬度，硬度值為710Hv。同時(shí)，在TiC與Y2O3協(xié)同作用也使得材料的抗熱沖擊性能較純鎢有明顯提高，在受到能量密度為1.0GW/m2的激光熱沖擊時(shí)，燒結(jié)后的復(fù)合材料較商業(yè)純鎢表面粗糙度較小，因熱沖擊誘導(dǎo)的裂紋數(shù)目更少、裂紋寬度更小，抗熱沖擊能力顯著提高。
[0030]實(shí)施例2:
[0031 ]本實(shí)施例中高抗熱沖擊W-TiC-Y2O3復(fù)合材料，其摻雜第二相為TiC與Y2O3，其中各組分按體積百分比構(gòu)成為:TiC 12%,Y2O3 4%，余量為W。
[0032]原始粉末粒度為:TiC顆粒尺寸為40-60納米，Y2O3顆粒尺寸為40-50納米。
[0033]本實(shí)施例中高抗熱沖擊W-TiC-Y2O3復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0034]1、氧化:將26.17g偏鎢酸銨(NH4)6H2W12O4Q.XH2O(AMT)在箱式電阻爐中加熱到4000C，保溫I小時(shí)，得到黃色三氧化鎢；
[0035]2、球磨:將步驟I制備的黃色三氧化鎢粉、0.69g TiC粉和0.24g Y2O3粉置于球磨罐中，球磨罐和磨球的材質(zhì)為WC，設(shè)定球磨機(jī)轉(zhuǎn)速300r/min，球料比10:1，球磨10小時(shí)，得到復(fù)合摻雜的前驅(qū)體粉末；
[0036]3、還原:將前驅(qū)體粉末放入真空管式燒結(jié)爐中還原，還原氣氛為高純氫(純度99.999%)，還原溫度為800 °C，還原時(shí)間為2小時(shí)，氫氣流速為700ml/min，得到W-TiC-Y2O3復(fù)合粉末；
[0037]4、燒結(jié):將W-TiC-Y2O3復(fù)合粉末裝入石墨模具，再將模具放入放電等離子燒結(jié)爐中，室溫下對(duì)燒結(jié)爐抽真空，依次升溫至800 0C、1300 °C、1600 °C并分別保溫5min，在1000 °C時(shí)充入氬氣作為保護(hù)氣，燒結(jié)中控制壓力不超過(guò)47.3MPa，保溫結(jié)束后降至室溫，即得到W-Ti C-Y2O3復(fù)合材料。
[0038]燒結(jié)后的復(fù)合材料第二相分布均勻，從而提高了硬度，硬度值為718Hv。同時(shí)，在TiC與Y2O3協(xié)同作用也使得材料的抗熱沖擊性能較純鎢有明顯提高，在受到能量密度為1.lGW/m2的激光熱沖擊時(shí)，燒結(jié)后的復(fù)合材料較商業(yè)純鎢表面粗糙度較小，因熱沖擊誘導(dǎo)的裂紋數(shù)目更少、裂紋寬度更小，抗熱沖擊能力顯著提高。
[0039]實(shí)施例3:
[0040]本實(shí)施例中高抗熱沖擊W-TiC-Y2O3復(fù)合材料，其摻雜第二相為TiC與Y2O3，其中各組分按體積百分比構(gòu)成為:TiC 12%,Y2O3 2%，余量為W。
[0041 ] 原始粉末粒度為:TiC顆粒尺寸為40-60納米，Y2O3顆粒尺寸為40-50納米。
[0042]本實(shí)施例中高抗熱沖擊W-TiC-Y2O3復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0043]1、氧化:將26.35g偏鎢酸銨(NH4)6H2W12O4Q.XH2O(AMT)在箱式電阻爐中加熱到4000C，保溫I小時(shí)，得到黃色三氧化鎢；
[0044]2、球磨:將步驟I制備的黃色三氧化鎢粉、0.68g TiC粉和0.12g Y2O3粉置于球磨罐中，球磨罐和磨球的材質(zhì)為WC，設(shè)定球磨機(jī)轉(zhuǎn)速300r/min，球料比10:1，球磨10小時(shí)，得到復(fù)合摻雜的前驅(qū)體粉末；
[0045]3、還原:將前驅(qū)體粉末放入真空管式燒結(jié)爐中還原，還原氣氛為高純氫(純度99.999%)，還原溫度為900 °C，還原時(shí)間為I小時(shí)，氫氣流速為700ml/min，得到W-TiC-Y2O3復(fù)合粉末；
[0046]4、燒結(jié):將W-TiC-Y2O3復(fù)合粉末裝入石墨模具，再將模具放入放電等離子燒結(jié)爐中，室溫下對(duì)燒結(jié)爐抽真空，依次升溫至800 0C、1300 °C、1600 °C并分別保溫5min，在1000 °C時(shí)充入氬氣作為保護(hù)氣，燒結(jié)中控制壓力不超過(guò)47.3MPa，保溫結(jié)束后降至室溫，即得到W-Ti C-Y2O3復(fù)合材料。
[0047]復(fù)合材料第二相分布均勻，從而提高了硬度，硬度值為725Hv。同時(shí)，在TiC與Y2O3協(xié)同作用也使得材料的抗熱沖擊性能較純鎢有明顯提高，在受到能量密度為1.2GW/m2的激光熱沖擊時(shí)，燒結(jié)后的復(fù)合材料較商業(yè)純鎢表面粗糙度較小，因熱沖擊誘導(dǎo)的裂紋數(shù)目更少、裂紋寬度更小，抗熱沖擊能力顯著提高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高抗熱沖擊W-TiC-Y2O3復(fù)合材料，其特征在于:其摻雜第二相為TiC與Y2O3，其中各組分按體積百分比構(gòu)成為:TiC 10-14%,Y2O3 2-4%，余量為W。2.一種權(quán)利要求1所述的高抗熱沖擊W-Ti C-Y2O3復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)氧化:將偏鎢酸銨(順4)6出?1204().XH2O在箱式電阻爐中加熱到400°C，保溫I小時(shí)，得到黃色三氧化鎢； (2)球磨:將黃色三氧化鎢粉、TiC粉和Y2O3粉置于球磨罐中，球磨10-20小時(shí)，得到復(fù)合摻雜的前驅(qū)體粉末； (3)還原:將前驅(qū)體粉末放入真空管式燒結(jié)爐中還原得到W-TiC-Y2O3復(fù)合粉末； (4)燒結(jié):將W-TiC-Y2O3復(fù)合粉末裝入石墨模具，再將模具放入放電等離子燒結(jié)爐中，室溫下對(duì)燒結(jié)爐抽真空，依次升溫至800°(:、1300°(:、1600°(:并分別保溫51^11，在1000°(:時(shí)充入氬氣作為保護(hù)氣，保溫結(jié)束后降至室溫，即得到W-TiC-Y2O3復(fù)合材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于: TiC粉顆粒尺寸為40-60納米，Y2O3粉顆粒尺寸為40-50納米。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于: 步驟(2)中球磨罐和磨球的材質(zhì)為WC，設(shè)定球磨機(jī)轉(zhuǎn)速300r/min，球料比10:1。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于: 步驟(3)中還原反應(yīng)的參數(shù)設(shè)置為:還原氣氛為高純氫，還原溫度為800-900°C，還原時(shí)間為1-3小時(shí)，氫氣流速為400-700ml/min。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于: 步驟(4)燒結(jié)過(guò)程中控制壓力彡47.3MPa。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于: 步驟(3)還原過(guò)程中，升溫速率為5 °C /min，降溫速率1 °C /min。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于: 步驟(4)燒結(jié)過(guò)程中，升溫速率為100 0C/min，降溫速率為100 °C/min。
【文檔編號(hào)】C22C32/00GK106077693SQ201610581416
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月22日 公開號(hào)201610581416.6, CN 106077693 A, CN 106077693A, CN 201610581416, CN-A-106077693, CN106077693 A, CN106077693A, CN201610581416, CN201610581416.6
【發(fā)明人】吳玉程, 趙美玲, 羅來(lái)馬, 昝祥, 朱曉勇
【申請(qǐng)人】合肥工業(yè)大學(xué)