CN112442643A - 一种层状纤维増韧钨基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种层状纤维增韧钨基复合材料及其制备方法，包括相互交替层叠的基体层和增韧层，所述基体层包括钨层；所述增韧层包括钛箔和钨纤维网；按照本发明提供的技术方案制备的层状纤维增韧钨基复合材料，与纯钨相比，其韧性能提高60％～80％；本发明中的层状纤维增韧钨基复合材料对聚变堆装置中的第一壁结构具有重要的实用意义。

Description

一种层状纤维増韧钨基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种层状纤维増韧钨基复合材料及其制备方法。

背景技术

钨及其合金由于具有高熔点、高硬度、高导热率、低溅射腐蚀速率、高自溅射阀值以及低蒸气压和抗腐蚀性等优异性能，被广泛应用于航天航空、能源电力、微电子、生物医药、机械加工、医疗器械、照明、玻纤、国防建设等领域。特别是在高温能源设备领域，如核聚变发生装置中的第一壁材料，反应堆分流器、加速器的束流收集器和磁流体(MHD)，以及对高温性能有一定要求的坩埚材料。

钨(W)及其合金所典型应用的场所，如航空火箭，机械加工设备刀具，高温压力容器，核聚变堆，都对材料的综合机械性能有着非常高的要求。然而其韧脆转变温度(Ductile-to-Brittle Transition Temperature，DBTT)较高，高达400℃左右；再结晶温度低，1200℃左右；钨的低温脆性和再结晶脆性比较明显，具有该性能缺陷的钨材料无法在工程中得到进一步应用。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种层状纤维増韧钨基复合材料，包括相互交替层叠的基体层和增韧层，所述基体层包括钨层；所述増韧层包括钛箔和钨纤维网。

较佳的，所述钨层的厚度为100μm～300μm；所述钛箔的厚度为50μm～80μm；所述钨纤维网的丝径为30μm～100μm，孔径为100μm～600μm。

较佳的，所述钨层厚度为100μm～150μm，所述钛箔厚度为50μm且所述钨纤维网的丝径为50μm、孔径为600μm。

较佳的，一种所述层状纤维増韧钨基复合材料的制备方法，包括步骤：

S1：将钨粉在惰性气体保护下进行高能球磨处理；

S2：对所述钨纤维网和所述钛箔进行表面处理；

S3：将所述步骤S1中高能球磨处理后的所述钨粉与所述钨纤维网、所述钛箔交替层叠地装入模具中以获得待烧结体，所述钛箔材置于所述钨纤维网的上下两侧；

S4：在真空条件下对所述待烧结体进行放电等离子烧结，烧结过程分为三个阶段，每个阶段温度逐渐升高，压力保持不变。

较佳的，在所述步骤S1中，将所述钨粉在惰性气体保护下进行高能球磨，先进行干磨，时间为3h～15h，然后加入无水乙醇进行湿磨，时间为3h～8h。

较佳的，所述高能球磨的球料比是8∶1～20∶1，球磨罐转速为200r/min～400r/min。

较佳的，在所述步骤S4中，所述烧结过程包括三个阶段：

第一阶段在600℃～700℃、压力8KN～12KN条件下保温4min～6min；

第二阶段在1200℃～1400℃、压力8KN～12KN条件下保温15min～20min；

第三阶段在1600℃～1800℃、压力8KN～12KN条件下保温2min～4min。

较佳的，在所述步骤S4中，放电等离子烧结的升温速度为50℃/min～100℃/min。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：按照本发明提供的技术方案制备的层状纤维増韧钨基复合材料，与纯钨相比，其韧性能提高60％～80％；本发明中的层状纤维増韧钨基复合材料对聚变堆装置中的第一壁结构具有重要的实用意义。

附图说明

图1为所述层状纤维增韧钨基复合材料的样品示意图；

图2为所述层状纤维增韧钨基复合材料SPS烧结工艺示意图；

图3为实施例一所述层状纤维增韧钨基复合材料腐蚀后的金相图；

图4为实施例一所述层状纤维增韧钨基复合材料拉伸正面断口形貌的扫描电镜图；

图5为实施例二所述层状纤维增韧钨基复合材料腐蚀后的金相图；

图6为实施例二所述层状纤维增韧钨基复合材料拉伸正面断口形貌的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明所述层状纤维増韧钨基复合材料包括相互交替层叠的基体层和增韧层，所述基体层包括钨层；所述増韧层包括钛箔和钨纤维网。

进一步的，所述钨层的厚度为100μm～300μm；所述钛箔的厚度为50μm～80μm；所述钨纤维网的丝径为30μm～100μm，孔径为100μm～600μm。

较佳的，当所述钨层厚度为100μm～150μm，所述钛箔厚度为50μm且所述钨纤维网的丝径为50μm、孔径为600μm时，所述层状纤维増韧钨基复合材料具有较好的综合性能。

一种制备所述层状纤维増韧钨基复合材料的方法，包括如下步骤：

S1：将钨粉在惰性气体保护下进行高能球磨；

S2：对钨纤维网和钛箔进行表面处理；

S3：将步骤S1获得的所述钨粉与作为増韧层的钨纤维网和钛箔交替层叠地装入模具中以获得待烧结体，其中所述钛箔材置于钨纤维网的上下两侧；

S4：在真空条件下对步骤S3获得的所述待烧结体进行放电等离子烧结，烧结过程分为三个阶段，每个阶段温度逐渐升高，压力保持不变。

具体的，在步骤S1中，将钨粉在惰性气体保护下进行高能球磨，先进行干磨以细化粉末，时间为3h～15h，然后加入无水乙醇进行湿磨，防止已经细化的粉末发生团聚，时间为3h～8h。

所述高能球磨的球料比是8∶1～20∶1，球磨罐转速为200r/min～400r/min。

具体的，在步骤S4中，烧结过程包括三个阶段：

第一阶段在600℃～700℃、压力8KN～12KN条件下保温4min～6min；

第二阶段在1200℃～1400℃、压力8KN～12KN条件下保温15min～20min；

第三阶段在1600℃～1800℃、压力8KN～12KN条件下保温2min～4min。

进一步的，在所述步骤S4中，放电等离子烧结的升温速度为50℃/min～100℃/min。

本发明所述层状纤维増韧钨基复合材料对比现在复合材料制备常用的纤维复合材料和层状复合材料，本发明中层状纤维増韧钨基复合材料将钨纤维和塑性较好的金属钛层同时引入了复合材料中，将硬相的钨层与软相的钛箔以及钨纤维网烧结到一起，得到硬相和软相交替叠加的复合材料，软相的钛箔和钨纤维网作为増韧层，且因为钛金属层的包裹，钨纤维网在烧结的过程不会直接与钨基体接触，不需要对钨纤维网的表面进行特殊的镀膜处理。

本发明中的复合材料在受外力作用后，增韧层中的金属钛和钨纤维都会产生较大程度的塑性变形从而吸收大量的能量，纤维的存在可以更加有效地传递和承载外力，在纤维拔出、纤维与钛箔界面脱粘还有基体层与钛层之间的界面裂纹扩展的过程都会消耗大量能量，从而对裂纹尖端起到一定程度的钝化作用，还可以使裂纹发生弯曲和偏转，延长裂纹的扩展路径；同时，当硬相的基体层发生断裂时，软相的钛箔和纤维还能起到桥接的作用，阻止裂纹的进一步扩展，从而达到増韧的效果；此外，由于钛箔对纤维的包裹和保护，避免了在烧结过程中基体钨与纤维紧密结合而使钨纤维失去拔出等增韧手段。

本发明采用的烧结方法是放电等离子烧结，具有升温速率快、加热均匀、烧结温度低、烧结时间短、生产效率高等优点，可以通过控制烧结温度使基体粉末发生固相烧结，在低温阶段、中温阶段和高温阶段分别会发生金属的回复、再结晶以及致密化，同时施加一定的压力，能有效地促进烧结体的致密化以及基体层与増韧层界面的牢固结合。

按照本发明提供的技术方案制备的层状纤维増韧钨基复合材料，与纯钨相比，其韧性能提高60％～80％。本发明中的层状纤维増韧钨基复合材料对聚变堆装置中的第一壁结构具有重要的实用意义。

实施例一

本实施例用于制备层状纤维増韧钨基复合材料，其中包括相互交替层叠的钨层和增韧层，钨层每层的厚度约为150μm，增韧层每层的厚度约为100μm，其中增韧层包括丝径为30μm的钨纤维网和两层厚度为50μm的钛箔。具体步骤如下：

S1：将钨粉在氩气保护下进行高能球磨，以制备钨基粉末。

高能球磨时先进行干磨，干磨时间是8h，然后加入无水乙醇进行湿磨，湿磨时间是5h。高能球磨时的球料比是10∶1，球磨罐转速是300r/min。

S2：将厚度为50μm的钛箔裁剪成

的圆片，并用浸过无水乙醇的棉签将钛

箔表面擦拭干净。将丝径为30μm、孔径600μm的钨纤维网裁剪成

的圆片，以2％的氢氧化钠溶液为抛光液电解抛光10s，目的是去除钨丝表面的氧化物。

S3：将步骤S1获得的钨粉和步骤S2获得的钛箔以及钨纤维网交替层叠的装填进石墨模具中获得待烧结体，石墨模具模腔尺寸为

壁厚15mm。按照如下顺序进行装模：先铺一层钨粉，接着铺一层钛箔，在钛箔上铺一层钨纤维网，再铺一层钛箔，然后再铺一层钨粉，以此方式，反复装填四层增韧层，五层基体层。基体层的厚度通过钨粉的质量来控制，当需要制备厚度较大的烧结体时可以通过增加钨粉的用量来实现。由于钨粉在烧结过程中没有损失或损失极少，可忽略不计，故烧结体中钨层的质量等同于钨粉的质量。

如图1所示，图1为具体烧结后的所述层状纤维增韧钨基复合材料的样品示意图。

S4：在真空条件下对步骤S3获得的待烧结体进行放电等离子烧结，烧结过程分为三个阶段：第一阶段在700℃、压力9.2KN条件下保温5min；第二阶段在1300℃、压力9.2KN条件下保温20min；第三阶段在1600℃、压力9.2KN条件下保温2min。进一步的，该步骤中放电等离子烧结的升温速率除了第一阶段前的为13℃/min，其余的升温和降温速率都为100℃/min。

如图2所示，图2为所述层状纤维增韧钨基复合材料SPS烧结工艺示意图。

烧结完成后取出石墨模具，空冷至室温，将制备好的样品脱模即可得到层状纤维増韧钨基复合材料。

如图3所示，图3为实施例一所述层状纤维增韧钨基复合材料(钨纤维网丝径30μm)腐蚀后的金相图，可以看到深颜色的钨基体层和浅色的钛层相互堆叠，在钛层中可以明显的看见深色的条状组织，该组织为钨纤维网。同时，钨基体层与增韧层，钨纤维网和钛箔之间结合的非常紧密，界面处无明显的裂纹等缺陷。

如图4所示，图4为实施例一层状纤维增韧钨基复合材料拉伸正面断口形貌的扫描电镜图。

对本实施例层状纤维増韧钨基复合材料与纯钨进行单轴拉伸测试得出其工程应力应变曲线，材料的断后总伸长率用以表征其抵抗塑性变形的能力，可反应材料的韧性，该伸长率越高则韧性越好，其断后总伸长率为4.1％，故该层状纤维増韧钨基复合材料的韧性较纯钨提高了60.5％。

实施例二

本实施例与实施例二的主要区别主要就是钨纤维网的丝径不同。

本实施例用于制备层状纤维増韧钨基复合材料，其中包括相互交替层叠的钨层和增韧层，钨层每层的厚度约为150μm，增韧层每层的厚度约为100μm，其中增韧层包括丝径为50μm的钨纤维网和两层厚度为50μm的钛箔。具体步骤如下：

S1：将钨粉在氩气保护下进行高能球磨，以制备钨基粉末。

高能球磨时先进行干磨，干磨时间是8h，然后加入无水乙醇进行湿磨，湿磨时间是5h。高能球磨时的球料比是10∶1，球磨罐转速是300r/min。

S2：将厚度为50μm的钛箔裁剪成

的圆片，并用浸过无水乙醇的棉签将钛箔表面擦拭干净。将丝径为50μm、孔径600μm的钨纤维网裁剪成

的圆片，以2％的氢氧化钠溶液为抛光液电解抛光10s，目的是去除钨丝表面的氧化物。

S3：将步骤S1获得的钨粉和步骤S2获得的钛箔以及钨纤维网交替层叠的装填进石墨模具中获得待烧结体，石墨模具模腔尺寸为

壁厚15mm。按照如下顺序进行装模：先铺一层钨粉，接着铺一层钛箔，在钛箔上铺一层钨纤维网，再铺一层钛箔，然后再铺一层钨粉，以此方式，反复装填四层增韧层，五层基体层。基体层的厚度通过钨粉的质量来控制，当需要制备厚度较大的烧结体时可以通过增加钨粉的用量来实现。由于钨粉在烧结过程中没有损失或损失极少，可忽略不计，故烧结体中钨层的质量等同于钨粉的质量。

S4：在真空条件下对步骤S3获得的待烧结体进行放电等离子烧结，烧结过程分为三个阶段：第一阶段在700℃、压力9.2KN条件下保温5min；第二阶段在1300℃、压力9.2KN条件下保温20min；第三阶段在1600℃、压力9.2KN条件下保温2min。进一步的，该步骤中放电等离子烧结的升温速率除了第一阶段前的为13℃/min，其余的升温和降温速率都为100℃/min。

烧结完成后取出石墨模具，空冷至室温，将制备好的样品脱模即可得到层状纤维増韧钨基复合材料。

如图5所示，图5为实施例二层状纤维增韧钨基复合材料(钨纤维网丝径50μm)腐蚀后的金相图，可以看到深颜色的钨基体层和浅色的钛层相互堆叠。钨基体层与增韧层，钨纤维网和钛箔之间结合的非常紧密，界面处无明显的裂纹空隙等缺陷。由于纤维丝径的增加，实施例二中钛层中的钨纤维的形状更为完整，对复合材料有更好的增强增韧作用。

如图6所示，图6为实施例二层状纤维增韧钨基复合材料拉伸正面断口形貌的扫描电镜图。

对本实施例层状纤维増韧钨基复合材料与纯钨进行单轴拉伸测试得出其工程应力应变曲线，材料的断后总伸长率用以表征其抵抗塑性变形的能力，可反应材料的韧性，该伸长率越高则韧性越好，其断后总伸长率为4.6％，故该层状纤维増韧钨基复合材料的韧性较纯钨提高了78％。

本发明中，高能球磨过程中的球料比、球磨罐转速、球磨时间、装模时钨层的厚度以及放电等离子烧结过程中的烧结温度、升温速度、烧结压力、保温时间等数值不具体限定为上述实施例中的参数，也不限定为以上实施例的数值组合，但是上述参数的调整会对层状纤维増韧钨基复合材料的制备过程和増韧效果产生一定影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种层状纤维增韧钨基复合材料，其特征在于，包括相互交替层叠的基体层和增韧层，所述基体层包括钨层；所述增韧层包括钛箔和钨纤维网。

2.如权利要求1所述的层状纤维增韧钨基复合材料，其特征在于，所述钨层的厚度为100μm～300μm；所述钛箔的厚度为50μm～80μm；所述钨纤维网的丝径为30μm～100μm，孔径为100μm～600μm。

3.如权利要求1所述的层状纤维增韧钨基复合材料，其特征在于，所述钨层厚度为100μm～150μm，所述钛箔厚度为50μm且所述钨纤维网的丝径为50μm、孔径为600μm。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的层状纤维增韧钨基复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1：将钨粉在惰性气体保护下进行高能球磨处理；

S2：对所述钨纤维网和所述钛箔进行表面处理；

S3：将所述步骤S1中高能球磨处理后的所述钨粉与所述钨纤维网、所述钛箔交替层叠地装入模具中以获得待烧结体，所述钛箔材置于所述钨纤维网的上下两侧；

S4：在真空条件下对所述待烧结体进行放电等离子烧结，烧结过程分为三个阶段，每个阶段温度逐渐升高，压力保持不变。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，将所述钨粉在惰性气体保护下进行高能球磨，先进行干磨，时间为3h～15h，然后加入无水乙醇进行湿磨，时间为3h～8h。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述高能球磨的球料比是8∶1～20∶1，球磨罐转速为200r/min～400r/min。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述烧结过程包括三个阶段：

第一阶段在600℃～700℃、压力8KN～12KN条件下保温4min～6min；

第二阶段在1200℃～1400℃、压力8KN～12KN条件下保温15min～20min；

第三阶段在1600℃～1800℃、压力8KN～12KN条件下保温2min～4min。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，放电等离子烧结的升温速度为50℃/min～100℃/min。

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