CN110684936B - 一种短切钨纤维增强钒铬基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种短切钨纤维增强钒铬基复合材料及其制备方法，涉及聚变堆材料技术领域，能够兼顾低活化和低成本的双重要求，获得强韧性好、耐高温、综合性能优异的复合材料；该复合材料包括：直径为0.1～0.25毫米、长度为1～5厘米的短切钨纤维；平均粒径为10～80微米的金属钒粉；和平均粒径为10～80微米的金属铬粉；其致密度为97～99.1％，拉伸强度为74～113MPa，断裂韧性为10.3～13.6MPa·m^1/2，热导率为51～61W/(m·K)。本发明提供的技术方案适用于短切钨纤维增强钒铬基复合材料制备的过程中。

Description

一种短切钨纤维增强钒铬基复合材料及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及聚变堆材料技术领域，尤其涉及一种短切钨纤维增强钒铬基复合材料及其制备方法。

【背景技术】

在核聚变堆中，氦冷偏滤器结构支撑板的工作温度在700℃以上，同时要承受高热流冲击，所以制备材料的成分选择，要同时保证材料在各种服役条件下都具有优异的力学和热学性能。

文献1(SMITH D L,CHUNG H M,LOOMIS B A,et al.Reference vanadium alloyV-4Cr-4Ti for fusion application[J].J.Nucl.Mater.,1996,233:356-363.)，文献2(KURTZ R J,ABE K,CHERNOV V W,KAZAKOV V A,et al.Critical issues and currentstatus of vanadium alloy for fusion energy application[J].J.Nucl.Master.,2000,283:70-78.)，文献3(CHUNG H M,LOOMIS B A,SMITH D L.Development and testingof vanadium alloys for fusion application[J].J.Nucl.Mater.,1996,239:139-156.)报道，相对于其他候选结构材料，钒合金能提供更加优越的性能，它能适应高中子壁负荷，低的嬗变速率、高的蠕变强度和良好的塑性等。纯钒塑性好、强度低，但是易氧化和发生氢脆，可以通过添加合金元素，提高强度改变其抗高温氧化和氢脆的问题。目前，研究最多的是V-4Cr-4Ti和V-5Cr-5Ti两种合金，将有可能成为DOMO的第一壁候选结构材料。

核聚变堆材料的设计过程中，不仅要满足低活化的要求，同时还必须考虑到实际的成本等问题，得到综合性能优异的合金材料。

因此，有必要研究一种短切钨纤维增强钒铬基复合材料及其制备方法来满足低活化、高性能和低成本的多重要求。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种短切钨纤维增强钒铬基复合材料及其制备方法，能够兼顾低活化和低成本的双重要求，获得强韧性好、耐高温、综合性能优异的复合材料。

一方面，本发明提供一种短切钨纤维增强钒铬基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括：

直径为0.1～0.25毫米、长度为1～5厘米的短切钨纤维；

平均粒径为10～80微米的金属钒粉；

和平均粒径为10～80微米的金属铬粉。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述复合材料的致密度为97～99.1％，拉伸强度为74～113MPa，断裂韧性为10.3～13.6MPa·m^1/2，热导率为51～61W/(m·K)。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述短切钨纤维的直径为0.20毫米。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述短切钨纤维的氧含量为0.039w％，所述铬粉的氧含量为0.3w％，所述钒粉的氧含量为0.41w％。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述复合材料的氧含量为0.20～0.28w％。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述短切钨纤维占所述复合材料的体积比为5～30％，所述钒粉占所述复合材料的体积比为30～50％，所述铬粉占所述复合材料的体积比为30～50％。

另一方面，本发明提供一种短切钨纤维增强钒铬基复合材料制备方法，其特征在于，适用于如上任一所述的复合材料的制备；

所述制备方法的步骤包括：

S1、将短切钨纤维、钒粉和铬粉混合制成混合料；

S2、将混合料在保护气体的保护下进行球磨；

S3、将球磨后的混合料放入热等静压包套内进行烧结，获得短切钨纤维增强钒铬基复合材料。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述保护气体为纯度≥99.99％的氩气。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述热等静压包套的材质为20号低碳钢。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3的具体步骤包括：

S31、将混合料放入热等静压包套；

S32、对所述热等静压包套进行加热、抽气和封焊；

S33、对混合料进行烧结，获得所述短切钨纤维增强钒铬基复合材料；

所述烧结的具体工艺参数为：烧结温度为1300℃，烧结压力为130MPa，保温时间为3h。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：能够兼顾低活化和低成本的双重要求，且强韧性好、耐高温，获得综合性能优异的合金材料；所制备的复合材料可用于聚变堆氦冷偏滤器的支撑板材料，以及聚变堆面向等离子体钨部件的材料；本申请的短切钨纤维增强钒铬合金用作支撑板材料和面向等离子体钨部件支撑材料时比钒合金的强韧性和导热性好，比铬锆铜CrZrCu熔点高，比钽Ta比重小、成本低。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的W_f/VCr复合材料的拉伸断口形貌；

图2是本发明一个实施例提供的W_f/VCr复合材料钨丝直径与合金氧含量的关系图；

图3是本发明一个实施例提供的W_f/VCr复合材料钨丝直径与致密度的关系图；

图4是本发明一个实施例提供的W_f/VCr复合材料钨丝直径与拉伸强度关系图；

图5是本发明一个实施例提供的W_f/VCr复合材料钨丝直径与断裂韧性关系图；

图6是本发明一个实施例提供的W_f/VCr复合材料钨丝直径与热导率关系图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

为了满足低活化和低成本的双重要求，得到综合性能优异的合金材料，主要应考虑以下几个方面的问题：

(1)高温性能：W的高温性能好，Cr、V的高温性能次之。

(2)抗氢问题：在所有可用作面向等离子体材料的元素中，W的抗氢性能好，Cr、V的抗氢性能不如W。

(3)氧化问题：Cr的抗氧化性能好，W和V的抗氧化性能差。

(4)补强增韧问题：用短切钨纤维补强增韧钒铬合金。

(5)比重问题：W的比重大，Cr、V的比重小。

(6)原料成本：V成本较高，W、Cr成本相对较低。

基于上述考虑，本发明用短切钨纤维及V粉和Cr粉作为原材料，利用粉末冶金的方法制备短切钨纤维增强钒铬金属基复合材料。该复合材料韧性好，且可以耐700℃以上的高温，能够作为聚变堆氦冷偏滤器的支撑板材料，以及制备新型的聚变堆面向等离子体钨部件的材料。

本发明短切钨纤维增强钒铬基复合材料制备时：

采用直径0.1～0.25毫米、长度1～5厘米的短切钨纤维，纯度≥99.9％平均粒径为10～80微米的钒粉和平均粒径为10～80微米的铬粉作为原料，三者的混合料在氩气中球磨后放入热等静压包套进行热等静压烧结钨纤维增强钒铬合金。其中，钨纤维占整个复合材料体积分数的5～30％，钒粉占整个复合材料体积分数的30～50％，铬粉占整个复合材料体积分数的30～50％。

短切钨纤维增强钒铬合金的致密度为97～99.1％，钨丝直径为0.20毫米时的增强钒铬合金致密度最大，为99.1％；拉伸强度为74～113MPa，钨丝直径0.20毫米的拉伸强度最大，为113MPa，高于钒铬合金拉伸强度83～90MPa；断裂韧性为10.3～13.6MPa·m^1/2，钨丝直径0.20毫米的断裂韧性最大，为13.6MPa·m^1/2；热导率为51～61W/(m·K)，钨纤维越粗热导率越大，钨丝直径0.20毫米的热导率为52.6W/(m·K)，均高于钒的热导率(30.98W/(m·K))，接近铬的热导率(66.99W/(m·K))，低于钨的热导率(166.22W/(m·K))。

原材料钨丝的氧含量为0.039w％及以下，铬粉的氧含量为0.3w％及以下，钒粉的氧含量为0.41w％及以下。烧结短切钨纤维增强钒铬合金的复合材料氧含量为0.20～0.28w％，与铬粉和钒粉相比，其氧含量都有一定的减少，钨丝直径0.25毫米时，减少的幅度最大为0.20w％。

实施例1：

原材料选用商品盘卷钨丝，钨含量达99.52％以上。经后期加工处理，将卷曲钨丝剪成长度为1～5cm，直径分别为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm的短切钨纤维；选用商品钒粉，钒粉末颗粒平均粒径为24.5～24.6μm，纯度≥99.9％；选用商品铬粉，铬粉平均粒径为15.3～15.4μm，纯度≥99.9％。

钨纤维占整个复合材料体积分数的15％，钒粉占整个复合材料体积分数的35％，铬粉占整个复合材料体积分数的50％。短切钨纤维加入钒粉和铬粉的混合粉料中，用卧式行星球磨机进行机械球磨，为了防止球磨过程中粉体氧化，使用高纯氩气(纯度≥99.99％)作为保护气体，球磨时间为16h，球磨速度为200RPM。

选用20号低碳钢作为热等静压包套材料，填装混合原料后，对热等静压包套进行抽气封焊，排出钢包套内粉末孔隙间残留空气以及粉末表面吸附的部分气体，防止包套在热等静压时开裂以及混合原料在烧结时氧化，抽气封焊工艺为：将填装有混合原料的热等静压钢包套逐渐加热到450℃后，开始对其抽真空，当真空度达2×10^-3Pa后，保温12小时，以保证抽气的完全后，将抽气口快速封焊。

封焊好的填装有混合粉料的钢包套放入热等静压设备烧结，烧结工艺参数为：烧结温度1300℃，压力130MPa，保温时间3h，后随炉冷却至常温取出试样。

复合材料的拉伸断口形貌如图1所示，可以看到多处钨纤维被拉断，表明短切钨纤维具有补强性能；其裂纹扩展时有界面脱粘、纤维拔出和裂纹偏折现象，表明短切钨纤维具有阻碍裂纹扩展的增韧性能。针对不同直径钨纤维制备的合金材料，对其进行性能测试和分析，获得图2～图6的测试结果。图2为钨纤维直径与合金含氧量的关系图，从图2中可知，钨纤维的直径从0.1毫米增加到0.25毫米时氧化量呈现了先降后升再大幅下降的变化，但总的趋势是明显下降的，并在0.25毫米时达到最低，为0.20w％；图3为钨纤维直径与合金致密度之间的关系图，从图3中可知，随着钨纤维粒径从0.10毫米增加到0.25毫米，合金的致密度呈现了先降后升再降的变化，且在钨丝直径0.20毫米的致密度最大，达到99.1％；图4为钨纤维直径与合金拉伸强度之间的关系图，从图4中可知，随着钨纤维直径从0.1毫米增加到0.25毫米，合金的拉伸强度出现先降后升再降的变化，且在钨丝直径0.20毫米时的拉伸强度最大，为113MPa；图5是钨纤维直径与合金断裂韧性之间的关系图，从图5中可知，随着钨纤维直径从0.1毫米增加到0.25毫米，合金的断裂韧性呈先升后降的变化，且在钨丝直径为0.20毫米时合金的断裂韧性最大，为13.6MPa·m^1/2；图6为钨纤维直径与合金热导率之间的关系图，从图6中可知，随着钨纤维直径从0.1毫米增加到0.25毫米，合金的热导率呈先升后降再升的变化，但总的趋势是明显上升的，钨纤维直径为0.25毫米时热导率最大，达到61W/(m·K)。

以上对本申请实施例所提供的一种短切钨纤维增强钒铬基复合材料及其制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，例如在钒粉和铬粉中再加入适量的钛粉。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者***中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (7)

1.一种短切钨纤维增强钒铬基复合材料，其特征在于，所述复合材料的原料包括且仅包括：

直径为0.1~0.25毫米、长度为1~5厘米的短切钨纤维；

平均粒径为10~80微米的金属钒粉；

和平均粒径为10~80微米的金属铬粉；

所述复合材料中，短切钨纤维占所述复合材料的体积比为5~30%，钒占所述复合材料的体积比为30~50%，铬占所述复合材料的体积比为30~50%；

所述复合材料的致密度为97~99.1%，拉伸强度为74~113MPa，断裂韧性为10.3~13.6MPa·m^1/2，热导率为51~61W/(m·K)；

制备复合材料的方法的步骤包括：

S1、将短切钨纤维、钒粉和铬粉混合制成混合料；

S2、将混合料在保护气体的保护下进行球磨；

S3、将球磨后的混合料放入热等静压包套内进行烧结，获得短切钨纤维增强钒铬基复合材料。

2.根据权利要求1所述的短切钨纤维增强钒铬基复合材料，其特征在于，所述短切钨纤维的直径为0.20毫米。

3.根据权利要求1所述的短切钨纤维增强钒铬基复合材料，其特征在于，所述短切钨纤维的氧含量为0.039w%，所述铬粉的氧含量为0.3w%，所述钒粉的氧含量为0.41w%。

4.根据权利要求1所述的短切钨纤维增强钒铬基复合材料，其特征在于，所述复合材料的氧含量为0.20~0.28w%。

5.根据权利要求1所述的短切钨纤维增强钒铬基复合材料，其特征在于，所述保护气体为纯度≥99.99%的氩气。

6.根据权利要求1所述的短切钨纤维增强钒铬基复合材料，其特征在于，所述热等静压包套的材质为20号低碳钢。

7.根据权利要求1所述的短切钨纤维增强钒铬基复合材料，其特征在于，所述S3的具体步骤包括：

S31、将混合料放入热等静压包套；

S32、对所述热等静压包套进行加热、抽气和封焊；

S33、对混合料进行烧结，获得所述短切钨纤维增强钒铬基复合材料；

所述烧结的具体工艺参数为：烧结温度为1300℃，烧结压力为130MPa，保温时间为3h。

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