[发明专利]一种高强度TiC掺杂W‑Ti‑Si‑B复合材料及制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，具体地说是一种高强度TiC掺杂W-Ti-Si-B复合材料及其制备方法。

二、背景技术

受控热核聚变是目前解决能源问题的重要途径之一，托卡马克装置的发明使其科学性得到证实。托卡马克装置中面向等离子体的第一壁材料(PFM)要求良好的导热性，抗热冲击性和高熔点，低溅射产额，低的氢再循环作用，低放射性等。高Z钨材料被认为是第一壁材料的最佳选择，但其存在的低温脆性，重结晶和高温强度等一系列问题影响其在聚变装置中的应用。从材料制备的方面，解决这些问题的途径包括添加弥散的第二相(氧化物或碳化物)以及合金化，以此来增加钨基材料的强韧性。

目前，常见添加的第二相为TiC，La₂O₃，Y₂O₃，合金化元素为Ti，V，Ta等。首先，Ti的添加可以极大程度的降低W基材料的烧结温度，提高其致密度，同时，Ti能够有效的防止烧结过程中钨晶粒长大。此外，通过机械合金化的制备方法可以促进钨钛形成固溶体，从而提高其界面强度。再则，弥散分布的第二相可以显著增加复合材料的强度，其协同添加能够极大的改善钨基材料的力学性能。

三、发明内容

本发明旨在提供一种高强度TiC掺杂W-Ti-Si-B复合材料及其制备方法，通过TiC掺杂W-Ti-Si-B粉体使复合材料的强度得到提高。

本发明高强度TiC掺杂W-Ti-Si-B复合材料，各原料按质量百分比构成为：TiH₂10-15wt％，TiC 1.5wt％，Si 0.5-1wt％，B 0.5-1wt％，余量为W。

本发明高强度TiC掺杂W-Ti-Si-B复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1、球磨：将W粉、TiH₂粉、Si粉、B粉以及TiC粉置于真空球磨罐中，在氩气气氛中球磨60～80小时，得到TiC掺杂W-Ti-Si-B复合粉体；球磨机的转速为400转/分，球磨罐和磨球的材质为WC，球料比为20：1。

2、烧结：将所述TiC掺杂W-Ti-Si-B复合粉体装入石墨模具，再将磨具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空至真空度为5-10Pa，高温烧结得到TiC掺杂W-Ti-Si-B复合材料。

高温烧结的参数设置如下：

升温速率设置为100℃/min，升温至600℃时充入氩气作为保护气，在600℃保温15min后升温至1300℃保温5min，随后再升温至1600℃保温3min，保温结束后以100℃/min的速率降温到室温，即得到TiC掺杂W-Ti-Si-B复合材料。

烧结过程中控制压力≤48MPa。

原始粉末粒度为：W粉粒度为1-2微米，TiH₂粒度为30-50微米，Si粉粒度为1-2微米，B粉粒度为10-20微米，TiC粒度为20微米。

本发明的有益效果体现在：

通过60～80小时的球磨，使得W和Ti极大程度的固溶，显著增强晶界结合力，Si和B能够与W形成弥散的中间相，且第二相分布更加均匀，钨晶粒被极大细化到亚微米级别，从而使硬度和抗拉强度得到显著提高，其硬度值达到Hv1130-1160。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

四、附图说明

图1是TiC掺杂W-Ti-Si-B复合材料的TEM图片其衍射斑点。图1a是TiC掺杂W-Ti-Si-B复合材料的TEM图片，图1b是图1a的面扫图，可见其存在一个明显的过渡区，图1c是过渡区的衍射斑点，标定结果为钨钛固溶体，说明通过长时间的球磨增加了钨钛的固溶程度，增强了第二相与基体的结合力，从而极大的提高了材料的强度。

图2是本发明制备的W-Ti-Si-B复合材料的SEM照片，表明第二相分布均匀，有利于提高强度。

五、具体实施方式

实施例1：

本实施例中高强度TiC掺杂W-Ti-Si-B复合材料，其原料按质量百分比构成如下：TiH₂ 10wt％，TiC 1.5wt％，Si 0.5wt％，B 0.5wt％，余量为W。W粉粒度为1-2微米，TiH₂粒度为30-50微米，Si粉粒度为1-2微米，B粉粒度为10-20微米，TiC粒度为20微米。

本实施例中高强度TiC掺杂W-Ti-Si-B复合材料的制备方法如下：