[发明专利]一种层状梯度结构钨基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种层状梯度结构钨基复合材料及其制备方法，其包括多个依次层叠的重复单元，每个重复单元以钽层为中心，在所述钽层的两侧由内至外分别依次设置钛层和钨层，且相邻两个层叠的重复单元共用一个钨层，重复单元为五个，其制备方法包括：(1)表面处理；(2)装模；(3)烧结；(4)脱模，本发明将钨箔设置于钽层两侧作为基体层，将钛设置在钨层和钽层之间构成中间层，构成层状梯度结构钨基复合材料，其韧性好，强度高，综合性能好，该层状梯度结构钨基复合材料对聚变堆装置的第一壁结构具有重要的实用意义。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，尤其涉及一种层状梯度结构钨基复合材料及其制备方法。

背景技术

面向等离子体材料(Plasma Facing Material，PFM)是指在磁约束可控核聚变反应装置中能直接“看见”等离子体的第一壁和偏滤器材料，基于核聚变的功率反应堆的高温和等离子体材料暴露在氘-氚(D-T)聚变反应过程中产生的高温和高能中子通量下而极易引起退化，特别是功率额定值增加的聚变反应堆和短暂情况下的聚变反应堆，其服役环境的严峻程度更高。因此聚变反应堆材料需要具有高熔点、高强度和良好的抗蠕变性能，其对于材料的热性能、机械性能和物理性能的需求达到一个新的高度。目前人们对于等离子体和高温材料的研究已转向难熔金属。

钨(W)及其合金由于高熔点，高导热率，低氘/氚保留和低溅射速率，现在被认为在未来的聚变反应堆中最有希望用于等离子体材料。然而，钨材料容易表现出严重的脆化现象，例如低温、高温、再结晶和辐射引起的脆化，导致钨材料的韧性极低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：钨材料在低温、高温、再结晶或辐射条件下韧性差，提供了一种层状梯度结构钨基复合材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明的一种层状梯度结构钨基复合材料，包括多个依次层叠的重复单元，每个重复单元以钽层为中心，在所述钽层的两侧由内至外分别依次设置钛层和钨层，且相邻两个层叠的重复单元共用一个钨层。

所述的层状梯度结构钨基复合材料在W/Ti界面有W-Ti固溶体生成。

所述的层状梯度结构钨基复合材料在Ti/Ta界面有Ti-Ta固溶体生成。

所述的重复单元为五个。

所述的钨层的厚度为90～110μm。

所述的钛层的厚度为20～110μm。

所述的钽层的厚度为90～110μm。

所述的钨层的厚度为100μm。

所述的钛层的厚度为30～100μm。

所述的钽层的厚度为100μm。

一种层状梯度结构钨基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)表面处理：将钛箔和钽箔置于无水乙醇中超声清洗，真空干燥后密封保存；将钨箔置于碱液中抛光，再置于无水乙醇中超声清洗，真空干燥后密封保存；

(2)装模：将表面处理后的钨箔、钛箔、钽箔按次序放入模具构成待烧结体；

(3)烧结：真空状态下对待烧结体进行放电等离子体烧结；

(4)脱模。

所述的放电等离子体烧结过程包括三个阶段：

(1)升温升压阶段：以55～95℃/min的速率升温至600℃，再以100℃/min的速率升温至1000～1400℃，同时以恒定速率升压至9.5～11.5KN，使温度和压力同时达到最大值；

(2)保温阶段：保温保压10～20min；