[发明专利]一种抗高热负荷冲击高强韧细晶W基复合材料及制备方法

说明书

本发明提供了一种抗高热负荷冲击高强韧细晶W基复合材料及制备方法；所述复合材料是由复合增强相：纳米级超高温陶瓷碳化物(TiC或ZrC)与Ti、Zr合金化元素和难熔金属W基体组成的；合金化元素分布于W基体的表面，并在纳米超高温碳化物颗粒处形成富集区，有效改善了超高温碳化物陶瓷相和W基体相界面结构，阻碍W晶界迁移和部分形成半共格，实现细晶和界面强韧化；经溶胶喷雾干燥‑还原‑高能活化处理和低温强化烧结制备而成；复合材料晶粒尺寸1～2μm，室温抗拉强度达到450～600MPa，延伸率为5％‑8％，在高达700MW/m²的瞬态电子束高热负荷冲击下表面无裂纹损伤形成，显著提升了W复合材料抗高热负荷冲击性能。

技术领域

本发明涉及核聚变面对等离子体材料领域，特别涉及一种抗高热负荷冲击高强韧细晶W基复合材料及制备方法。

背景技术

难熔金属W及其合金材料具有高熔点、高导热、高温高强度等一系列突出性能优势而广泛应用于航空、航天、国防军工等尖端技术领域。同时，由于其低溅射率和不与H同位素反应等，成为热核聚变反应堆最理想的面对等离子体材料(PFMs)。然而，现有钨材料仍然存在一些不足，如：低温脆化，高韧脆转变温度(DBTT)，低再结晶温度(RCT)，极大地限制了W材料的应用。

前期，大量的研究表明通过添加碳化物第二相可以有效强化W材料，如日本东北大学的Kurishita等针对碳化钛强化钨做了系统而深入地研究，采用MA(机械合金化)+HIP(热等静压)，制备出晶粒尺寸1μm左右的W-(0～1.5)wt.％TiC复合材料，抗弯强度超过1.6GPa，显著地改善了材料的DBTT和再结晶温度，在6MW/m²的电子束热流冲击下，表面无开裂损伤。章曼等的专利“一种碳化钛强化细晶钨材料的制备方法”提出球磨改性-溶胶非均相沉淀制备纳米TiC增强钨材料，有效细化晶粒，强度达到450MPa。尽管如此，由于碳化物与难熔金属W的键结构差异极大，相容性差，添加的纳米碳化物第二相易偏聚，在外加载荷作用下易形成裂纹源，从而降低W材料的强韧性。更为重要地是，作为聚变堆面对等离子体材料PFMs，将面临极端苛刻的热服役环境，包括高温(1300K)、高能量密度(20MW/m²)稳态热负载以及高达～GW/m²级的边缘局域模(ELMs)和垂直位移事件(VDEs)的瞬态高热负荷冲击，将严重影响聚变堆的安全稳定运行。同时，未来中国聚变工程试验堆(CFETR)的PFM将面临更高的热负荷冲击服役环境，从而，现有W材料无法满足上述苛刻要求，成为制约核聚变研制突出的瓶颈。有研究表明W材料的抗高热负荷性能与材料本身强度和韧性密切相关，因此，亟需开发一种新型高强韧W材料。

发明内容

为了解决现有技术中上述问题，本发明提供了一种抗高热负荷冲击高强韧细晶W基复合材料及制备方法。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种抗高热负荷冲击高强韧细晶W基复合材料，所述复合材料由复合增强相组成，所述复合增强相按如下质量百分比构成：0.1～1％纳米级超高温陶瓷碳化物、0.1～1％微合金化元素以及余下的难熔金属W基体。

进一步的，所述纳米级超高温陶瓷碳化物为TiC或ZrC，弥散均匀分布于难熔金属W基体的晶界和晶内，微合金化元素为Ti或Zr，分布于难熔金属W基体的表面并在纳米级超高温碳化物颗粒处形成富集区。

进一步的，所述复合材料晶粒尺寸1～2μm，室温抗拉强度450～600Mpa，延伸率为5％-8％。

进一步的，所述复合材料在700MW/m²瞬态电子束高热负荷冲击考核条件下表面完好、无表面、纵向裂纹损伤形成。

基于一个发明总的构思，本发明还提供了一种上述抗高热负荷冲击高强韧细晶W基复合材料的制备方法，包括如下步骤：