1.本發(fā)明屬于制備方法，具體涉及一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法。

背景技術(shù)：

2.鎢由于其高熔點(diǎn)、低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率、高的力學(xué)性能強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)而成為聚變堆面向等離子體用材料眾多選擇中的一種優(yōu)選材料，但是，目前存在的商用純鎢和一些鎢合金仍然有一些問(wèn)題，首先從制備過(guò)程中，如燒結(jié)難以致密化；加工過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂；對(duì)于使用過(guò)程中晶粒易于再結(jié)晶變粗大、加工性能差；聚變等離子體對(duì)鎢的輻照也會(huì)引起材料的性能退化，中子輻照硬化/脆化嚴(yán)重，因此目前的商用鎢材料很難滿(mǎn)足未來(lái)聚變堆面向等離子體材料的需要，這就要求對(duì)鎢基材料提出高的再結(jié)晶溫度，低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度等要求。目前主流的對(duì)鎢進(jìn)行改性的方式是通過(guò)晶粒細(xì)化、合金化和彌散強(qiáng)化等方法提高塊體鎢的耐輻照性能、升高再結(jié)晶溫度期望降低dbtt，以便使鎢具備更優(yōu)異的性能，滿(mǎn)足托卡馬克等離子體環(huán)境下嚴(yán)苛要求。如通過(guò)合金材料的成分調(diào)制可顯著提高材料的熱、力學(xué)性能，通過(guò)添加添加一些tic、y2o3等碳/氧化物顆粒彌散強(qiáng)化的方法來(lái)改善鎢的性能，在形成彌散強(qiáng)化相的同時(shí)，限制燒結(jié)過(guò)程中的鎢晶粒長(zhǎng)大，另外，也有研究表明，通過(guò)添加一些納米級(jí)別的第二相粒子也能改善鎢的性能。然而，在這些方式中生成的第二相粒子往往粒子尺寸難以控制且粒子尺寸較大，容易造成鎢合金的組織不均勻，進(jìn)而造成力學(xué)性能有所不同。如何通過(guò)改善鎢合金在燒結(jié)過(guò)程中的第二相粒子尺寸和分布從而提高鎢合金綜合性能是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

3.本發(fā)明的內(nèi)容是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法。

4.本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，包括下述步驟，

5.步驟1：母合金粉制備

6.進(jìn)行母金原料的混合和球磨；

7.步驟2：復(fù)合粉末制備

8.二次混合和球磨；

9.步驟3：粉末燒結(jié)

10.燒結(jié)和冷卻。

11.如上所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其中，所述的步驟1包括，

12.步驟1.1：在氬氣氛圍的環(huán)境中分別將鎢粉末和非晶粉末fe-zr-o放入球磨罐中，fe-zr-o與鎢合金粉末的質(zhì)量比例為1：5；

13.步驟1.2：在球磨罐中加入磨球后密封，其中磨球質(zhì)量與上述粉末原料質(zhì)量的比值為8:1-20:1；將球磨罐裝入球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，使非晶粉末和鎢粉末混合均勻；球磨結(jié)束后，直接在空氣中采用篩網(wǎng)分離粉末原料與磨球。

14.如上所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其中，所述的步驟2包括，

15.步:2.1：取出一定量的母合金粉末和純鎢粉末通過(guò)換算按照zro2粒子和鎢粉體積比1：99-1：98進(jìn)行配比放到處于氬氣環(huán)境中的球磨罐中；

16.步驟2.2：在球磨罐中加入磨球后密封，其中磨球質(zhì)量與上述粉末原料質(zhì)量的比值為8:1-20:1；將球磨罐裝入球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，使非晶粉末和鎢粉末混合均勻；球磨結(jié)束后，直接在空氣中采用篩網(wǎng)分離粉末原料與磨球；

17.如上所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其中，所述的步驟3包括，取一定量的燒結(jié)粉末放入模具中采用壓片機(jī)進(jìn)行初步壓制；將裝好粉末的模具放入等離子體燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，其中燒結(jié)溫度為1750℃-1850℃，燒結(jié)時(shí)間為1-10min，燒結(jié)壓強(qiáng)為85mpa，升溫速率為100-200℃/min，降溫方式為自然冷卻。

18.如上所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其中，所述的鎢粉末純度為99.99％。

19.如上所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其中，fe-zr-o非晶成分為(y60fe40)96o4，其中y,fe,o為原子百分比，fe-zr-o非晶通過(guò)研缽研磨成粉末狀。

20.如上所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其中，母合金粉末和燒結(jié)粉末制備過(guò)程中中球磨機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為120rpm-150rpm，球磨時(shí)間為5-10h，磨球分為大中小三類(lèi)，直徑分為為：6mm，4mm和2mm。

21.如上所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其中，壓片機(jī)將燒結(jié)粉末壓制能直徑為10-20mm圓柱形燒結(jié)粉體，所選擇壓力位1mpa。

22.如上所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其中，制備的鎢合金為第二相粒子原位彌散生成的粒子，其粒子尺寸為50-180nm。

23.如上所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其中，所述鎢合金的維氏硬度hv300g為420-470hv。

24.本發(fā)明的顯著效果是：相比于常規(guī)的通過(guò)直接添加第二相粒子本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)直接在合金粉末制備過(guò)程中添加非晶粒子，在燒結(jié)過(guò)程中通過(guò)非晶的分解原位生成第二相粒子，保證了第二相粒子的尺寸和分布。這種控制作用主要在于第二相粒子是由非晶的分解而來(lái)，另外在與燒結(jié)方式和燒結(jié)參數(shù)的控制。該方法工藝重復(fù)性好，質(zhì)量易控，造價(jià)便宜，可用于聚變堆面向等離子材料中鎢材料的大規(guī)模制備的需要。

附圖說(shuō)明

25.圖1.燒結(jié)后w-1％zro2的微觀組織；

26.圖2燒結(jié)后w-2％zro2的微觀組織。

具體實(shí)施方式

27.一步

28.實(shí)施案例1

29.(1)母合金粉制備

30.步驟一：在氬氣氛圍的環(huán)境中分別將鎢粉末和非晶粉末(y60fe40)96o4放入球磨罐中，非晶粉末與鎢合金粉末的質(zhì)量分別為5g和25g；

31.步驟二：在球磨罐中加入磨球后密封，其中磨球質(zhì)量與上述粉末原料質(zhì)量的比值為8:1；將球磨罐裝入球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，使非晶粉末和鎢粉末混合均勻；球磨結(jié)束后，直接在空氣中采用篩網(wǎng)分離粉末原料與磨球；

32.(2)復(fù)合粉末制備

33.步驟一：取出一定量的母合金粉末和純鎢粉末通過(guò)換算按照zro2粒子和鎢粉體積比1：99進(jìn)行配比放到處于氬氣環(huán)境中的球磨罐中；

34.步驟二：在球磨罐中加入磨球后密封，其中磨球質(zhì)量與上述粉末原料質(zhì)量的比值為8:1；將球磨罐裝入球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，使非晶粉末和鎢粉末混合均勻；球磨結(jié)束后，直接在空氣中采用篩網(wǎng)分離粉末原料與磨球；

35.(3)粉末燒結(jié)

36.步驟一：取15g的燒結(jié)粉末放入模具中采用壓片機(jī)進(jìn)行初步壓制；將裝好粉末的模具放入等離子體燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，其中燒結(jié)溫度為1850℃，燒結(jié)時(shí)間為3min，燒結(jié)壓強(qiáng)為85mpa，升溫速率為100℃/min，降溫方式為自然冷卻；燒結(jié)完成后取出塊體樣品，以待分析。

37.(4)樣品檢測(cè)

38.將直徑為15mm，厚度約為3mm的圓片進(jìn)行磨拋，測(cè)得鎢合金的維氏硬度hv300g為430hv；鎢粒子的晶粒尺寸約為1-3μm；zro2粒子的尺寸約為60-180nm。

39.實(shí)施案例2

40.(1)母合金粉制備

41.步驟一：步驟一：在氬氣氛圍的環(huán)境中分別將鎢粉末和非晶粉末(y60fe40)96o4放入球磨罐中，非晶粉末與鎢合金粉末的質(zhì)量分別為5g和25g；

42.步驟二：在球磨罐中加入磨球后密封，其中磨球質(zhì)量與上述粉末原料質(zhì)量的比值為8:1；將球磨罐裝入球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，使非晶粉末和鎢粉末混合均勻；球磨結(jié)束后，直接在空氣中采用篩網(wǎng)分離粉末原料與磨球；

43.(2)復(fù)合粉末制備

44.步驟一：取出一定量的母合金粉末和純鎢粉末通過(guò)換算按照zro2粒子和鎢粉體積比2：98進(jìn)行配比放到處于氬氣環(huán)境中的球磨罐中；

45.步驟二：在球磨罐中加入磨球后密封，其中磨球質(zhì)量與上述粉末原料質(zhì)量的比值為8:1；將球磨罐裝入球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，使非晶粉末和鎢粉末混合均勻；球磨結(jié)束后，直接在空氣中采用篩網(wǎng)分離粉末原料與磨球；

46.(3)粉末燒結(jié)

47.步驟一：取15g的燒結(jié)粉末放入模具中采用壓片機(jī)進(jìn)行初步壓制；將裝好粉末的模具放入等離子體燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，其中燒結(jié)溫度為1850℃，燒結(jié)時(shí)間為3min，燒結(jié)壓強(qiáng)為85mpa，升溫速率為100℃/min，降溫方式為自然冷卻；燒結(jié)完成后取出塊體樣品，以待分析。

48.(4)樣品檢測(cè)

49.將直徑為15mm，厚度約為3mm的圓片進(jìn)行磨拋，測(cè)得鎢合金的維氏硬度hv300g為

460hv；鎢粒子的晶粒尺寸約為1-3μm；zro2粒子的尺寸約為50-120nm。

50.本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū)中披露的新特征或者任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。技術(shù)特征：

1.一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其特征在于：包括下述步驟，步驟1：母合金粉制備進(jìn)行母金原料的混合和球磨；步驟2：復(fù)合粉末制備二次混合和球磨；步驟3：粉末燒結(jié)燒結(jié)和冷卻。2.如權(quán)利要求1所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其特征在于：所述的步驟1包括，步驟1.1：在氬氣氛圍的環(huán)境中分別將鎢粉末和非晶粉末fe-zr-o放入球磨罐中，fe-zr-o與鎢合金粉末的質(zhì)量比例為1：5；步驟1.2：在球磨罐中加入磨球后密封，其中磨球質(zhì)量與上述粉末原料質(zhì)量的比值為8:1-20:1；將球磨罐裝入球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，使非晶粉末和鎢粉末混合均勻；球磨結(jié)束后，直接在空氣中采用篩網(wǎng)分離粉末原料與磨球。3.如權(quán)利要求1所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其特征在于：所述的步驟2包括，步:2.1：取出一定量的母合金粉末和純鎢粉末通過(guò)換算按照zro2粒子和鎢粉體積比1：99-1：98進(jìn)行配比放到處于氬氣環(huán)境中的球磨罐中；步驟2.2：在球磨罐中加入磨球后密封，其中磨球質(zhì)量與上述粉末原料質(zhì)量的比值為8:1-20:1；將球磨罐裝入球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，使非晶粉末和鎢粉末混合均勻；球磨結(jié)束后，直接在空氣中采用篩網(wǎng)分離粉末原料與磨球。4.如權(quán)利要求1所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其特征在于：所述的步驟3包括，取一定量的燒結(jié)粉末放入模具中采用壓片機(jī)進(jìn)行初步壓制；將裝好粉末的模具放入等離子體燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，其中燒結(jié)溫度為1750℃-1850℃，燒結(jié)時(shí)間為1-10min，燒結(jié)壓強(qiáng)為85mpa，升溫速率為100-200℃/min，降溫方式為自然冷卻。5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其特征在于：所述的鎢粉末純度為99.99％。6.如權(quán)利要求5所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其特征在于：fe-zr-o非晶成分為(y60fe40)96o4，其中y,fe,o為原子百分比，fe-zr-o非晶通過(guò)研缽研磨成粉末狀。7.如權(quán)利要求6所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其特征在于：母合金粉末和燒結(jié)粉末制備過(guò)程中中球磨機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為120rpm-150rpm，球磨時(shí)間為5-10h，磨球分為大中小三類(lèi)，直徑分為為：6mm，4mm和2mm。8.如權(quán)利要求7所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其特征在于：壓片機(jī)將燒結(jié)粉末壓制能直徑為10-20mm圓柱形燒結(jié)粉體，所選擇壓力位1mpa。9.如權(quán)利要求8所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其特征在于：制備的鎢合金為第二相粒子原位彌散生成的粒子，其粒子尺寸為50-180nm。10.如權(quán)利要求9所述的一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法，其特征在于：所述鎢合金的維氏硬度hv300g為420-470hv。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明屬于制備方法，具體涉及一種原位納米氧化鋯粒子彌散增強(qiáng)鎢合金的制備方法。它包括下述步驟，步驟1：母合金粉制備；進(jìn)行母金原料的混合和球磨；步驟2：復(fù)合粉末制備；二次混合和球磨；步驟3：粉末燒結(jié)；燒結(jié)和冷卻。本發(fā)明的顯著效果是：相比于常規(guī)的通過(guò)直接添加第二相粒子本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)直接在合金粉末制備過(guò)程中添加非晶粒子，在燒結(jié)過(guò)程中通過(guò)非晶的分解原位生成第二相粒子，保證了第二相粒子的尺寸和分布。這種控制作用主要在于第二相粒子是由非晶的分解而來(lái)，另外在與燒結(jié)方式和燒結(jié)參數(shù)的控制。該方法工藝重復(fù)性好，質(zhì)量易控，造價(jià)便宜，可用于聚變堆面向等離子材料中鎢材料的大規(guī)模制備的需要。料中鎢材料的大規(guī)模制備的需要。料中鎢材料的大規(guī)模制備的需要。

技術(shù)研發(fā)人員：王建豹 練友運(yùn) 封范 陳哲 劉翔 王英敏 羌建兵 魏明玉

受保護(hù)的技術(shù)使用者：核工業(yè)西南物理研究院

技術(shù)研發(fā)日：2020.07.08

技術(shù)公布日：2022/1/10