[发明专利]一种含铒的氧化物弥散强化钨基合金及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及难熔金属粉末冶金制备技术领域，具体涉及一种含铒的氧化物弥散强化钨基合金及其制备方法与应用。本发明所述的钨基合金含有复杂氧化物弥散相A₂B₂O₇，A为Er，B为Zr。所述复杂氧化物弥散相降低了杂质元素对钨的脆化作用，且不容易在晶界处聚集长大，避免了应力集中和裂纹的生成；同时复杂氧化物弥散相作为第二相，可抑制烧结过程及在高温服役过程中钨晶粒的长大，提高了钨的高温性能。本发明所得含有复杂氧化物弥散相Er₂Zr₂O₇的钨基合金具有更高的机械强度及更好的拉伸性能。可望在照明、高温部件、航空航天器件、耐高温容器及聚变反应堆中面向等离子体壁等方面得到了广泛的应用。同时，其制备方法简单、科学、高效，更有利于工业实施。

技术领域

本发明属于难熔金属粉末冶金制备技术领域，具体涉及一种含铒的氧化物弥散强化钨基合金及其制备方法与应用。

背景技术

钨(W)是一种能在宽温度范围内保持体心立方晶体结构的难熔金属，具有高导热系数(174W/m·K)、高稳定性、高硬度/强度、低溅射率、低热膨胀系数等优点。这些优越的性能在高温应用方面很有吸引力，如未来聚变反应堆中的等离子体面材料(PFMs)、散裂中子源中的固体靶以及火箭和导弹中的关键部件。

然而，纯钨金属表现出多种脆化，如低温脆化(韧性-脆性转变温度DBTT约400℃)、再结晶脆化和辐射脆化。这些脆化缺陷限制了钨材料在中温区域、高温辐射环境下的应用。因此，为了充分利用钨材料的优异性能，降低其脆性、提高其力学性能成为关键。

现有技术CN104611618A公开了一种耐高温钨合金材料，其通过掺入ZrO₂弥散相提高材料在高温下的抗拉强度，800℃时可达800MPa。虽然该合金的强度得到显著提升，但其弥散相属于简单氧化物，容易在晶界处聚集，尺寸变大，影响弥散强化效果；而且，尺寸较大的颗粒在晶界分布，容易造成应力集中，引发裂纹；并且此类掺入简单氧化物弥散相的方式也无法消除钨基中氧杂质对脆性的影响。此外，该方法为了获得较高的强度，而采用超高压冷等静压、烧结、旋锻等一系列对设备要求较高的工艺，也给该技术的实施应用推广带来一定困难。

CN103526096A公开了一种钨-锆-氧化钇合金，利用锆吸收了钨中非金属杂质，降低了杂质元素对钨的脆化作用，提高了韧性和强度；同时利用氧化钇作为第二相，抑制钨晶粒长大，提高钨的高温性能；所得合金的硬度为5.9GPa，室温断裂强度为241MPa。但该材料中晶界处大尺寸的Y₂O₃在烧结过程中会聚集长大，容易引起应力集中和材料开裂。

发明内容

本发明的第一方面提供一种含铒多元掺杂复杂氧化物弥散强化的钨基合金。

所述钨基合金，其结构中含有复杂氧化物弥散相A₂B₂O₇，A为Er，B为Zr。

针对现有钨基合金存在的问题，本发明发现在钨中掺入过渡元素及稀土氧化物，在特定加热过程中能够形成复杂氧化物弥散相A₂B₂O₇，其中A为稀土元素，B为过渡金属元素。该复杂氧化物弥散相不仅可消除钨基合金中游离杂质(如氧、碳、氮)，减少杂质造成脆性的影响，而且生成的复杂氧化物的晶粒尺寸较为细小，可在钨基合金中更好的均匀分散，弥散强化效果相比现有稀土氧化物更好，可进一步提高合金的机械强度及拉伸性能；同时，该复杂氧化物不容易在晶界处聚集长大，避免了应力集中和裂纹的生成。此外，弥散颗粒与基体间的界面可以有效吸收辐照缺陷，从而改善钨基合金的辐照肿胀性能，更有助于实现钨基合金在极端服役环境中的应用。