[发明专利]钨合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钨合金及其制备方法，该合金由钨基体和合金元素组成，其特征在于，合金元素为Ⅴ、Ⅵ族中的一种，形成亚微米尺度的亚晶组织，钨合金中合金化元素固溶到钨基体中，以XRD测试为准，能够将固溶强化作用充分发挥，提升合金的强度硬度，同时提升合金塑性和韧性。本发明还提供这类新型钨合金部件的3D纯形制备方法。

技术领域

本发明涉及一种钨合金及其制备方法，属于材料领域。

背景技术

钨是一种难熔金属，具有高熔点、高密度、高温强度和高硬度等特性，被广泛应用于医疗、航空航天、国防武器、聚变能源等领域。但是纯钨硬度大，室温下变现为脆性，很难直接加工，且延展性底下，正是这种在室温下缺乏延展性，限制了钨在工业中的进一步应用。

提高金属材料的韧性可以从两方面入手。一方面，在合金设计期间处理。最常见的研究重点是修改合金的表观特征(例如，晶粒尺寸，增强相分布等)，其可以在裂纹传播并导致宏观失效之前钝化裂纹，现有技术中为解决该问题，通常采用添加合金元素的方法来提高加工性能，比如现在广泛使用的高密度钨合金就是向钨基体中添加镍、铁等元素后制成，但是在这种方法中，高密度钨合金中镍、铁等无法与钨完全固溶，形成低熔点相，使其无法应用于高温领域。为了解决该问题，具有本征塑性的完美晶体的制备受到了广泛的关注。通过第一性原理计算表明钨属于本征脆性，严重影响了钨延展性，但研究表明通过合金添加，改变核外电子结构来调整剪切失稳与相应的内在破坏的临界应变，使得位错成核在裂纹形成之前被激活，这样材料在宏观上表现出本征塑性。因此我们寄希望于在合金设计阶段能够使得钨加入合金化元素，并通过固溶使得合金具有本征塑性，提高钨合金的塑性和韧性。

为进一步提升钨合金的应用范围，我们希望获得在提升钨合金韧性的同时兼具良好的强度和硬度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有钨合金中合金元素不能完全固溶到钨基体中，固溶强化不充分，且塑性和韧性较低，本发明提供了一种实现完全固溶的，兼具高强度、高硬度、高塑性的钨合金，其表现为本征塑性，并且提供其制备方法。

本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种钨合金，由钨基体和合金元素组成，合金元素为Ⅴ、Ⅵ族中的一种，合金元素连续固溶在钨基体中，形成亚微米尺度的亚晶组织。钨合金的强度和塑性同时得到提高。

作为优选的，所述合金元素为铌、钼、钽、钒中的一种，合金元素的重量百分比为1％-50％。

作为优选的，所述钨合金为W-6wt％Ta、W-10wt％Mo、W-10wt％Nb。作为优选的，所述合金粉末中还可以添加0.1％-5％的纳米尺度的碳化锆或碳化钛颗粒。

该钨合金可以用于制备医用X光机中的屏障部件，也可以用于制备热核聚变反应堆中的抗辐照部件。

在本发明中合金元素能够完全固溶，合金呈现一种单相状态，通过XRD测试显示仅存在钨的衍射峰，而没有其他物质的衍射峰出现，即钨合金中的添加元素完全固溶到钨基体中，置换的原子改变了钨原子的核外电子结构，使滑移容易进行，提高了合金的塑性和韧性，同时，由于亚微米尺度的亚晶结构存在，提高了晶粒变形阻力，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。

本发明中亚微米尺度的亚晶组织，其由相互缠绕的位错组成胞壁，相邻的胞具有相同的取向，胞的尺寸小于1μm。亚晶组织的存在一方面可以为塑性变形提供位错源，解决钨中位错难形核的问题；另一方面可以实现应力分配，提高晶粒的强度，提高本征塑性。相邻的胞具有相同的取向，使得合金组织规则有序，防止各项异性，晶粒细小防止应力集中，晶界越长越能阻碍裂纹扩展，提升合金强度、硬度、塑性和韧性。