一种含铝自钝化钨合金及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种含铝自钝化钨合金及其制备方法与应用，所述自钝化钨合金包括基体元素W以及钝化元素Cr和Al。进一步地，所述钝化元素Cr的质量百分比含量为2

【技术实现步骤摘要】
一种含铝自钝化钨合金及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及自钝化钨合金领域，尤其涉及一种含铝自钝化钨合金及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]钨由于具有高的硬度、熔点以及低的物理溅射性能，广泛应用于军事、航空航天和核聚变等领域。特别是在核聚变领域，钨被认为是偏滤器和面向等离子体第一壁的首要候选材料。但是偏滤器和面向等离子体第一壁材料需要长期承受低能离子(<100eV)、高热流(10～20MW/m2)、强束流(10
22
～10
24
m
‑2·
s
‑1)、电磁辐射、高能聚变中子辐照等造成的能量损伤。特别地，在人为或自然因素导致的冷却失效事故(LOCA,Loss
‑
of
‑
coolant accident)中，空气和水蒸气进入真空室，会使容器内的温度在几天内达到1000℃以上，并且会在此温度下保持两个月左右。然而钨容易氧化，在500℃以上的中等高温下氧化明显加快，并伴有裂纹的产生；在1000℃以上时，钨氧化生成挥发性的WO3，不仅会对环境造成污染，而且当装置失效时会造成难以预估的毁灭性事故。在核聚变反应堆中，钨还受到氢氦效应以及颤变效应的共同作用，使材料的性能大幅下降，导致表面开裂、脆化。所以如何改善自钝化钨合金抗高温氧化性能成为当前的研究热点。
[0003]目前，改善钨抗氧化性主要包括在合金表面制备涂层和添加合金化元素两种途径。涂层的厚度有限不能满足长时间抗氧化的要求，而且涂层与基体的热膨胀系数不同会使涂层产生裂纹和孔洞，这些缺陷成为氧向钨基体内扩散的通道使钨基体被氧化。合金化可以有效避免上述缺点，所以通过机械合金化和粉末冶金制备自钝化钨合金成为提高钨抗氧化性能的主要途径和方法。
[0004]近年来研究人员设计制备了以Cr为钝化元素的自钝化钨合金来提高钨的高温氧化性能，但是，在高温下抗氧化性能仍有待进一步提高，例如W98％
‑
Cr2％合金在900℃下循环氧化15h，单位面积质量增加超过了175mg/cm2。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种含铝自钝化钨合金，通过在钨基体中添加铬和铝作为钝化元素，实现了抗氧化性能的明显提高。
[0006]本专利技术还提供上述含铝自钝化钨合金的制备方法与应用。
[0007]本专利技术提供一种含铝自钝化钨合金，包括基体元素W以及钝化元素Cr和Al。
[0008]本专利技术在现有的以Cr为钝化元素的自钝化钨合金基础上，添加钝化元素Al，高温下钝化元素优先氧化，其中Al2O3的稳定性优于Cr2O3，在合金表面形成一层连续致密的保护膜，从而起到保护合金基体的作用。
[0009]根据本专利技术具体实施方式提供的含铝自钝化钨合金，所述钝化元素Cr的质量百分比含量为2
‑
12％，钝化元素Al的质量百分比含量为1
‑
3％。更优选地，所述钝化元素Cr的质量百分比含量为2
‑
8％，钝化元素Al的质量百分比含量为1％。
[0010]在本专利技术一具体实施方式中，所述含铝自钝化钨合金中，基体元素W的质量百分比含量为97％，钝化元素Cr的质量百分比含量为2％，钝化元素Al的质量百分比含量为1％。
[0011]在本专利技术另一具体实施方式中，所述含铝自钝化钨合金中，基体元素W的质量百分比含量为91％，钝化元素Cr的质量百分比含量为8％，钝化元素Al的质量百分比含量为1％。
[0012]本专利技术所述含铝自钝化钨合金的致密度大于98％，硬度大于840HV，晶粒尺寸小于1.2μm。
[0013]本专利技术所述含铝自钝化钨合金在900℃下循环氧化15h后，单位面积质量增加不超过104mg/cm2。其中一个循环为氧化0.5h，取出在空气中冷却至室温，即循环氧化15h包括30个循环。
[0014]所述含铝自钝化钨合金在800℃下循环氧化15h后，单位面积质量增加不超过2mg/cm2。
[0015]在本专利技术的具体实施方式中，可采用以下方法进行抗氧化性能测试：
[0016]在磨抛机上将烧结得到的合金块体表面氧化皮去除干净，线切割成5
×5×
3mm的块体。将切割得到的块体磨抛至1μm，并超声波清洗30min。将清洗后的块体放在坩埚中称重，随后将坩埚和合金块一同放入马弗炉中在800
‑
900℃下进行循环氧化实验。每半小时取出样品在空气中冷却至室温，用灵敏天平测其质量变化并记录，循环氧化15h(30个循环)截止。
[0017]本专利技术还提供上述含铝自钝化钨合金的制备方法。
[0018]本专利技术提供的制备方法包括采用机械合金化得到合金粉末后进行放电等离子烧结的步骤。
[0019]根据本专利技术的具体实施方式，所述放电等离子烧结的条件包括：温度为1400
‑
1600℃，压力为40
‑
50Mpa，时间为1
‑
5min。
[0020]在本专利技术一具体实施方式中，当通过放电等离子烧结(SPS)制备得到尺寸约为直径20mm，高6.5mm的柱状合金块时，具体烧结参数为温度为1500℃，压力为45Mpa保持3min。
[0021]根据本专利技术的具体实施方式，所述机械合金化为球磨方式，球料比为5:1
‑
10:1，球磨转速为350
‑
450r/min，球磨时间为35
‑
50h。
[0022]根据本专利技术的具体实施方式，球磨过程中，定期对结块粉末进行研磨过筛。其中研磨过筛在手套箱中进行，对结块粉末进行研磨过筛可以避免粉末黏罐而导致的无效球磨。
[0023]在本专利技术一具体实施方式中，所述制备方法包括以下步骤：
[0024](1)按照球料比5:1
‑
10:1取粉，将W、Cr和Al粉末按照W：Cr：Al＝97：2：1(wt％)混合均匀置于球磨罐中；
[0025](2)将步骤(1)得到的混合粉末置于行星式球磨机中球磨35
‑
50h，在球磨过程中定期取下球磨罐放入手套箱中，将结块粉末经研磨过筛后继续球磨，避免粉末黏罐导致无效球磨；
[0026](3)称取一定量的步骤(2)所得合金粉末，通过放电等离子烧结(SPS)制备得到柱状合金块，烧结参数：温度为1400
‑
1600℃，压力为40
‑
50Mpa，时间为1
‑
5min。
[0027]其中，W、Cr和Al粉末优选采用纯度99.9％以上，粒径为1
‑
3μm的粉末。
[0028]本专利技术还提供上述含铝自钝化钨合金在航空发动机尾喷管材料以及核聚变的偏滤器和面向等离子体材料中的应用。
[0029]本专利技术提供了一种含铝自钝化钨合金及其制备方法与应用，通过在钨基体中添加一定量的铬和铝作为钝化元素，实现了抗氧化性能的明显提高，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含铝自钝化钨合金，其特征在于，包括基体元素W以及钝化元素Cr和Al。2.根据权利要求1所述的含铝自钝化钨合金，其特征在于，所述钝化元素Cr的质量百分比含量为2
‑
12％，钝化元素Al的质量百分比含量为1
‑
3％。3.根据权利要求2所述的含铝自钝化钨合金，其特征在于，所述含铝自钝化钨合金中，基体元素W的质量百分比含量为97％，钝化元素Cr的质量百分比含量为2％，钝化元素Al的质量百分比含量为1％。4.根据权利要求2或3所述的含铝自钝化钨合金，其特征在于，所述含铝自钝化钨合金的致密度大于98％，硬度大于840HV，晶粒尺寸小于1.2μm。5.根据权利要求4所述的含铝自钝化钨合金，其特征在于，所述含铝自钝化钨合金在900℃下循环氧化15h后，单位面积质量增加不超过104mg/cm2。6.权利要求1
‑
5任一项所述的含铝自钝化钨合金的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：席晓丽，唐康尧，王曼，王亚楠，聂祚仁，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：