一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，包括以下步驟：一、采用濕法高能球磨的方法將TiC粉和W粉混合均勻，經(jīng)真空干燥后得到混合粉；二、將混合粉進行放電等離子燒結(jié)，得到燒結(jié)坯料；三、將燒結(jié)坯料進行多火次模鍛，得到高密度細晶粒W-TiC合金材料；所述高密度細晶粒鎢合金材料中TiC的質(zhì)量百分含量為0.1%～1%，余量為W。本發(fā)明制備的W-TiC合金材料的相對密度不小于99.5%，平均晶粒尺寸不大于10μm，滿足熱核聚變用PFM材料等特殊方面的要求，可廣泛用作熱核聚變反應(yīng)裝置中偏濾器所面對的等離子體材料。
【專利說明】—種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鎢合金材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鎢合金由于高熔點、優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、低濺射產(chǎn)額和高自濺射閥值、以及低蒸氣壓和低的氚滯留性能等優(yōu)點被廣泛的認為是最有希望的核聚變裝置面對的等離子體材料(Plasma-Facing Material, PFM)。PFM指的是裝置中直接面向等離子體的材料,這些材料不斷受到來自等離子體的各種粒子(氘、氚、氦、中子、雜質(zhì)粒子)的轟擊、高熱負荷沉積、瞬態(tài)高能量沖擊、以及電磁輻射和電磁力等的復(fù)雜作用。這些作用將造成材料的輻照效應(yīng)和損傷，導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生、遷移和聚集，引起材料表面和基體的性能變化，嚴重影響到材料的使用壽命和裝置安全運行。由各種輻照效應(yīng)引起的材料在聚變等離子體中的遷移過程也將影響等離子體的穩(wěn)定性及裝置的安全性。因此PFM必須能夠承受這些輻照和損傷，保持必要的物理化學(xué)和熱力學(xué)性能，并且具備與等離子體良好的相容性。這就要求作為PFM材料的鎢合金具有高的密度和細的晶粒。
[0003]國外從上世紀90年代就針對核聚變反應(yīng)裝置用鎢材料進行了研究，研究的主要體系有純W以及W-Re，W-La2O3, W-Mo-Y等合金體系，主要是在保證良好導(dǎo)熱性能的基礎(chǔ)上，提高合金的再結(jié)晶溫度，降低合金的塑脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)。日本研究的W- (0.2~0.8%)TiC體系目前只局限于實驗室研究，具體工藝為:將純度較高的鎢粉與碳化鈦粉末混合，在保護氣氛下進行機械合金 化，制取納米級顆粒，之后進行熱等靜壓，可制備出晶粒在200nm、相對密度在98%以上的亞微米的W-TiC合金，晶粒細，界面多，經(jīng)中子輻照后具有較好的綜合性能。國內(nèi)在該方向的深入研究報道不多，部分單位剛剛開展研究工作，取得了一定的進展。
[0004]然而，上述鎢合金材料均為難熔材料，一般采用粉末冶金方法制備。由于鎢的熔點高，若是采用常規(guī)的粉末冶金法制備鎢合金材料，會導(dǎo)致燒結(jié)致密化困難，從而使材料致密度低下；且處于長時間的高溫燒結(jié)環(huán)境中會導(dǎo)致晶粒長大現(xiàn)象嚴重，材料性能滿足不了熱核聚變用PFM材料的實際需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法。采用該方法制備的W-TiC合金材料的晶粒細，密度高，滿足熱核聚變用PFM材料等特殊方面的要求。可廣泛用作熱核聚變反應(yīng)裝置中偏濾器所面對的等離子體材料。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0007]步驟一、采用濕法高能球磨的方法將W粉和TiC粉混合均勻，經(jīng)真空干燥處理后得到混合粉；
[0008]步驟二、將步驟一中所述混合粉進行放電等離子燒結(jié)，得到燒結(jié)坯料；所述放電等離子燒結(jié)的壓力為20MPa~60MPa，所述放電等離子燒結(jié)的溫度為1750°C~2000°C，所述放電等離子燒結(jié)的時間為5min~30min ；
[0009]步驟三、利用模鍛錘對步驟二中所述燒結(jié)坯料進行4~6火次模鍛，其中第一火次模鍛的變形量為15%~20%，其余火次模鍛的變形量均為8%~10%，并在每火次模鍛前均對燒結(jié)坯料進行加熱處理，最終得到高密度細晶粒W-TiC合金材料；所述加熱處理的具體過程為:在氫氣氣氛的保護下，將燒結(jié)坯料在溫度為1500°C~1600°C的條件下保溫30min~40min ;所述高密度細晶粒W-TiC合金材料中TiC的質(zhì)量百分含量為0.1%~1%，余量為W，所述高密度細晶粒W-TiC合金材料是指該材料的相對密度不小于99.5%，平均晶粒尺寸不大于10 μ m。 [0010]上述的一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，步驟一中所述W粉和TiC粉的質(zhì)量純度均不小于99.9%。
[0011]上述的一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，步驟一中所述W粉的平均粒度不大于2 μ m,所述TiC粉的平均粒度不大于lOOnm。
[0012]上述的一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，步驟一中所述濕法高能球磨的具體過程為:
[0013]步驟101、根據(jù)所要制備的高密度細晶粒W-TiC合金材料的成分設(shè)計要求稱取質(zhì)量為m的TiC粉和質(zhì)量為η的W粉，然后按照(m+n): t=l: (2~3)的固液比稱取質(zhì)量為t的有機溶劑；所述m、η和t的單位均為g ；
[0014]步驟102、將質(zhì)量為m的TiC粉、質(zhì)量為0.1n的W粉和質(zhì)量為t的有機溶劑加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為2500r/min~3500r/min的條件下球磨24h~36h ；
[0015]步驟103、將質(zhì)量為0.5n的W粉加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為2500r/min~3500r/min的條件下球磨24h~36h ；
[0016]步驟104、將余量的W粉加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為2500r/min~3500r/min的條件下球磨76h~120h。
[0017]上述的一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，步驟101中所述有機溶劑為丙酮或無水乙醇。
[0018]上述的一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，步驟二中放電等離子燒結(jié)過程中升溫至1750°C~2000°C的速率為50°C /min~200°C /min。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0020]1、本發(fā)明添加了適量的TiC粉作為彌散強化相，對鎢合金材料起到了明顯晶粒細化的作用。
[0021]2、本發(fā)明采用了分批分量加入W粉，并進行長時間、高轉(zhuǎn)速濕法球磨的方法，不僅使得粉末研磨混合更為均勻，而且能夠使粉末表面進行高能活化，為后續(xù)的致密化燒結(jié)奠定了基礎(chǔ)。
[0022]3、本發(fā)明采用了放電等離子(SPS)快速燒結(jié)工藝，具有升溫速度快、燒結(jié)時間短、組織結(jié)構(gòu)可控、節(jié)能環(huán)保等鮮明特點，不僅有效防止了采用傳統(tǒng)的粉末冶金燒結(jié)工藝導(dǎo)致致密性差的問題出現(xiàn)，還能夠避免因長時間的高溫燒結(jié)而導(dǎo)致晶粒長大嚴重的問題出現(xiàn)。[0023]4、本發(fā)明通過大量實驗，最終確定了 W-TiC合金成分、制備加工工藝及工藝參數(shù)，在提高鎢合金致密化過程中，控制晶粒長大。得到了其密度高(99.5%以上)，晶粒細小(10 μ m以下)，塑脆轉(zhuǎn)變溫度低，再結(jié)晶溫度高的鎢合金材料。滿足了熱核聚變等特殊方面應(yīng)用。
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明實施例1制備的高密度細晶粒W-TiC合金材料的微觀組織照片。
[0026]圖2為本發(fā)明實施例2制備的高密度細晶粒W-TiC合金材料的微觀組織照片。
[0027]圖3為本發(fā)明實施例3制備的高密度細晶粒W-TiC合金材料的微觀組織照片。
【具體實施方式】[0028]實施例1
[0029]本實施例W-TiC合金材料的制備:
[0030]步驟一、采用濕法高能球磨的方法將質(zhì)量純度不小于99.9%，平均粒度不大于2 μ m的W粉和質(zhì)量純度不小于99.9%，平均粒度不大于IOOnm的TiC粉球磨混合均勻，具體過程為:
[0031]步驟101、根據(jù)所要制備的高密度細晶粒W-TiC合金材料的成分設(shè)計要求(W-TiC合金材料中TiC的質(zhì)量百分含量為0.1%，余量為W)稱取3g TiC粉和2997g W粉，然后按照固液比1: 2.5稱取7500g無水乙醇；
[0032]步驟102、將3g TiC粉、299.7gW粉和7500g無水乙醇加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為3000r/min的條件下球磨30h ；
[0033]步驟103、將1498.5g的W粉加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為3000r/min的條件下球磨 30h ；
[0034]步驟104、將余量的1198.8g W粉加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為3000r/min的條件下球磨88h ；
[0035]然后將球磨得到的混合物置于真空干燥箱中，在溫度為90°C的條件下進行真空干燥處理，以除去其中的無水乙醇，得到混合粉；
[0036]步驟二、將步驟一中所述混合粉置于放電等離子燒結(jié)爐中進行放電等離子燒結(jié)，得到燒結(jié)坯料；所述放電等離子燒結(jié)的壓力為20MPa，所述放電等離子燒結(jié)的溫度為1850°C，所述放電等離子燒結(jié)的時間為20min，放電等離子燒結(jié)過程中升溫的速率為80°C /min ；
[0037]步驟三、利用模鍛錘對步驟二中所述燒結(jié)坯料進行5火次模鍛，其中第一火次模鍛的變形量為20%，其余火次模鍛的變形量均為10%，并在每火次模鍛前均對燒結(jié)坯料進行加熱處理，得到高密度細晶粒W-TiC合金材料；所述加熱處理的具體過程為:將燒結(jié)坯料置于氫氣爐中，在氫氣氣氛，溫度為1500°C的條件下保溫40min ;所述高密度細晶粒W-TiC合金材料中TiC的質(zhì)量百分含量為0.1%，余量為W。
[0038]將本實例W-TiC合金材料于1400°C退火2h后，利用高倍掃描電子顯微鏡觀測其微觀組織照片如圖1所示。由圖1可知本實例W-TiC合金材料的平均晶粒尺寸不大于10 μ m,由此證實本實施例W-TiC合金材料的晶粒細小。依據(jù)國家標準GB3850-83 “致密燒結(jié)金屬材料與硬質(zhì)合金密度測試方法”，測得本實施例W-TiC合金材料的實際密度為19.207g/cm3,相對密度為99.5%。
[0039]實施例2
[0040]本實施例W-TiC合金材料的制備:
[0041]步驟一、采用濕法高能球磨的方法將質(zhì)量純度不小于99.9%，平均粒度不大于2 μ m的W粉和質(zhì)量純度不小于99.9%，平均粒度不大于IOOnm的TiC粉球磨混合均勻，具體過程為:
[0042]步驟101、根據(jù)所要制備的高密度細晶粒W-TiC合金材料的成分設(shè)計要求(W-TiC合金材料中TiC的質(zhì)量百分含量為0.5%，余量為W)稱取15g TiC粉和2985g W粉，然后按照固液比1: 2稱取6000g丙酮；
[0043]步驟102、將15g TiC粉、298.5gW粉和6000g丙酮加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為2500r/min的條件下球磨36h ；
[0044]步驟103、將1492.5g的W粉加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為2500r/min的條件下球磨 36h ；
[0045]步驟104、將余量的1194g W粉加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為2500r/min的條件下球磨120h ；
[0046]然后將球磨得到的混合物置于真空干燥箱中，在溫度為70°C的條件下進行真空干燥處理，以除去其中的丙酮，得到混合粉；
[0047]步驟二、將步驟一中所述混合粉置于放電等離子燒結(jié)爐中進行放電等離子燒結(jié)，得到燒結(jié)坯料；所述放電等離子燒結(jié)的壓力為60MPa，所述放電等離子燒結(jié)的溫度為1750°C，所述放電等離子燒結(jié)的時間為30min，放電等離子燒結(jié)過程中升溫的速率為200 0C /min ；
[0048]步驟三、利用模鍛錘對步驟二中所述燒結(jié)坯料進行4火次模鍛，其中第一火次模鍛的變形量為15%，其余火次模鍛的變形量均為8%，并在每火次模鍛前均對燒結(jié)坯料進行加熱處理，得到高密度細晶粒W-TiC合金材料；所述加熱處理的具體過程為:將燒結(jié)坯料置于氫氣爐中，在氫氣氣氛，溫度為1600°C的條件下保溫30min ;所述高密度細晶粒W-TiC合金材料中TiC的質(zhì)量百分含量為0.5%，余量為W。
[0049]將本實例W-TiC合金材料于1400°C退火2h后，利用高倍掃描電子顯微鏡觀測其微觀組織照片如圖2所示。由圖2可知本實例W-TiC合金材料的平均晶粒尺寸不大于10 μ m,由此證實本實施例W-TiC合金材料的晶粒細小。依據(jù)國家標準GB3850-83 “致密燒結(jié)金屬材料與硬質(zhì)合金密度測試方法”，測得本實施例W-TiC合金材料的實際密度為19.286g/cm3,相對密度為99.9%。
[0050]實施例3
[0051]本實施例W-TiC合金材料的制備:
[0052]步驟一、采用濕法高能球磨的方法將質(zhì)量純度不小于99.9%,平均粒度不大于2 μ m的W粉和質(zhì)量純度不小于99.9%，平均粒度不大于IOOnm的TiC粉球磨混合均勻，具體過程為:
[0053]步驟101、 根據(jù)所要制備的高密度細晶粒W-TiC合金材料的成分設(shè)計要求(W-TiC合金材料中TiC的質(zhì)量百分含量為1%，余量為W)稱取30gTiC粉和2970g W粉，然后按照固液比1: 3稱取9000g無水乙醇；
[0054]步驟102、將30g TiC粉、297gW粉和9000g無水乙醇加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為3500r/min的條件下球磨24h ；
[0055]步驟103、將1485g的W粉加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為3500r/min的條件下球磨24h ；
[0056]步驟104、將余量的1188g W粉加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為3500r/min的條件下球磨76h ；
[0057]然后將球磨得到的混合物置于真空干燥箱中，在溫度為90°C的條件下進行真空干燥處理，以除去其中的無水乙醇，得到混合粉；
[0058]步驟二、將步驟一中所述混合粉置于放電等離子燒結(jié)爐中進行放電等離子燒結(jié)，得到燒結(jié)坯料；所述放電等離子燒結(jié)的壓力為30MPa，所述放電等離子燒結(jié)的溫度為2000°C，所述放電等離子燒結(jié)的時間為5min，放電等離子燒結(jié)過程中升溫的速率為50°C /min ；
[0059]步驟三、利用模鍛錘對步驟二中所述燒結(jié)坯料進行6火次模鍛，其中第一火次模鍛的變形量為18%，其余火次模鍛的變形量均為9%，并在每火次模鍛前均對燒結(jié)坯料進行加熱處理，得到高密度細晶粒W-TiC合金材料；所述加熱處理的具體過程為:將燒結(jié)坯料置于氫氣爐中，在氫氣氣氛，溫度為1550°C的條件下保溫35min ;所述高密度細晶粒W-TiC合金材料中TiC的質(zhì)量百分含量為1%，余量為W。
[0060]將本實例W-TiC合金材料于1400°C退火2h后，利用高倍掃描電子顯微鏡觀測其微觀組織照片如圖3所示。由圖3可知本實例W-TiC合金材料的平均晶粒尺寸不大于7 μ m,由此證實本實施例W-TiC合金材料的晶粒細小。依據(jù)國家標準GB3850-83 “致密燒結(jié)金屬材料與硬質(zhì)合金密度測試方法”，測得本實施例W-TiC合金材料的實際密度為19.26g/cm3,相對密度為99.8%。
[0061]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單的修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一、采用濕法高能球磨的方法將W粉和TiC粉混合均勻，經(jīng)真空干燥處理后得到混合粉； 步驟二、將步驟一中所述混合粉進行放電等離子燒結(jié)，得到燒結(jié)坯料；所述放電等離子燒結(jié)的壓力為20MPa~60MPa，所述放電等離子燒結(jié)的溫度為1750°C~2000°C，所述放電等離子燒結(jié)的時間為5min~30min ； 步驟三、利用模鍛錘對步驟二中所述燒結(jié)坯料進行4~6火次模鍛，其中第一火次模鍛的變形量為15%~20%，其余火次模鍛的變形量均為8%~10%，并在每火次模鍛前均對燒結(jié)坯料進行加熱處理，最終得到高密度細晶粒W-TiC合金材料；所述加熱處理的具體過程為:在氫氣氣氛的保護下，將燒結(jié)坯料在溫度為1500°C~1600°C的條件下保溫30min~40min ;所述高密度細晶粒W-TiC合金材料中TiC的質(zhì)量百分含量為0.1%~1%，余量為W，所述高密度細晶粒W-TiC合金材料是指該材料的相對密度不小于99.5%，平均晶粒尺寸不大于10 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，步驟一中所述W粉和TiC粉的質(zhì)量純度均不小于99.9%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，步驟一中所述W粉的平均粒度不大于2 μ m,所述TiC粉的平均粒度不大于lOOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，步驟一中所述濕法高能球磨的具體過程為: 步驟101、根據(jù) 所要制備的高密度細晶粒W-TiC合金材料的成分設(shè)計要求稱取質(zhì)量為m的TiC粉和質(zhì)量為η的W粉，然后按照(m+n): t=l: (2~3)的固液比稱取質(zhì)量為t的有機溶劑；所述m、η和t的單位均為g ； 步驟102、將質(zhì)量為m的TiC粉、質(zhì)量為0.1n的W粉和質(zhì)量為t的有機溶劑加入高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為2500r/min~3500r/min的條件下球磨24h~36h ； 步驟103、將質(zhì)量為0.5n的W粉加入步驟102中所述高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為2500r/min~3500r/min的條件下球磨24h~36h ； 步驟104、將余量的W粉加入步驟103中所述高能球磨機中，在轉(zhuǎn)速為2500r/min~3500r/min的條件下球磨76h~120h。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，步驟101中所述有機溶劑為丙酮或無水乙醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高密度細晶粒W-TiC合金材料的制備方法，其特征在于，步驟二中放電等離子燒結(jié)過程中升溫的速率為50°C /min~200°C /min。
【文檔編號】C22C27/04GK103602868SQ201310675491
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月7日
【發(fā)明者】李增峰, 湯慧萍, 向長淑, 黃愿平, 張晗亮, 劉海彥, 汪強兵, 李紅寶, 石英 申請人:西北有色金屬研究院