表面多尺度结构钨材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种表面多尺度结构钨材料及其该材料的制备方法，属于金属表面处理技术领域。

背景技术：

聚变反应堆面向等离子体部件的服役环境极为苛刻，要求其中的材料能够长时间抵抗高热负荷和强辐照导致的损伤效应，以保证聚变堆的长期稳定工作。钨是熔点最高的金属材料，且具有高热导率、低溅射率，被认为是最有潜力的能够应用于面向等离子体部件的材料之一。但钨最大的不足是具有明显的室温脆性(即使是轧制态商业级钨，韧脆转变温度dbtt在200℃-300℃之间)、辐照脆化、热负荷开裂等缺陷，极大地限制了其作为第一壁材料的实际应用。

为了改善钨存在的上述不足，学者们开展了以钨合金化、钨/钨合金塑性变形加工和钨表面纳米化处理为主的途径来提高钨韧性。这些方法的原理都是诱导钨的晶粒细化强化。合金化一般与塑性变形结合使用，主要通过添加第二相纳米颗粒如氧化物碳化物等弥散钨基体制备细晶钨合金，并结合后续轧制处理，达到合金致密化、细化和强化的效果。刘瑞、谢卓明等在专利cn104388789b中公开的“一种纳米结构钨-碳化锆合金及其制备方法”以及谢卓明等在论文“extraordinaryhighductility/strengthoftheinterfacedesignedbulkw-zrcalloyplateatrelativelylowtemperature”，《scientificreports》5(2015)16014中报道了添加纳米碳化锆使钨基体晶粒得到充分的细化，获得大量晶界/相界，从而使合金具有较优异的强韧性和抗热冲击性。但不足之处是牺牲了纯钨的热导率，w-zrc合金中的相界增加力学性能的同时也增强了对电子的散射作用，其热导率相比纯钨明显下降。刘瑞等将上述成分进行了改良，在专利cn108149103a中公开了“一种钾碳化锆共掺杂钨合金及其制备方法”，通过纳米钾泡和碳化锆的共同作用进一步提高了钨的力学性能，并未表征热导率。但可以推测钾泡与陶瓷纳米颗粒共同存在将使合金热导率进一步下降。

高的热导率才有利于及时移出沉积在第一壁上的热量，能在提高力学性能的同时也不损失钨自身高的热导率具有重要的意义。在大多数服役环境下，材料失稳多始于表面，为此，纯钨表面自纳米化研究受到了研究者们的关注，因其具有如下优势：1)表面纳米钨晶粒可以降低面向等离子体面钨的韧脆转变温度，提高抗热冲击和抗辐照性能；2)表面自纳米化可以减小块状钨加工的难度；3)钨表面自纳米化保留了钨的高热导率。虽然材料表面自纳米化的方法较多，例如表面机械处理法和非平衡热力学法，但针对钨金属表面自纳米化还处于研究和尝试中，因为钨是熔点最高的金属且具有大的脆性。郭洪燕发表的“nanostructuredlaminartungstenalloywithimprovedductilitybysurfacemechanicalattritiontreatment”，《scientificreports》7(2017)1351文章中，报道了采用表面机械处理法中的机械研磨技术，通过高频高速弹丸持续撞击钨表面，形成了表面纳米晶而晶粒尺寸沿厚度方向梯度变化的纳微多尺度结构。值得提出的是，从聚焦离子束切割的多尺度结构截面来看，梯度结构层中出现多个分层界面，完整性不足。分层与高能碰撞作用有关，钨为体心立方金属且具有较大脆性，无法在表面高速弹丸的强碰撞作用下通过快速塑性变形而达到缓释应力效果，钨中应力难以传递致内部形成裂纹。此方法主要适合于铜、铁、镍、钛等塑性较好的金属及合金材料，对钨材料处理还存在较多不足。

因此，为了满足面向等离子体第一壁材料的要求，还需发展具有高质量的表面多尺度层钨材料及表面处理技术。

技术实现要素：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种具有高质量的表面多尺度层钨材料。

为解决上述第一个技术问题，本发明所述表面多尺度结构钨材料的表面组织到基体组织之间设置有梯度层，所述梯度层的晶粒尺寸呈梯度变化，从所述表面组织至基体组织的梯度层依次为纳米层、亚微米层、微米层，所述纳米层、亚微米层、微米层的晶粒尺寸分别为纳米级、亚微米级和微米级；优选所述纳米层晶粒尺寸60～100nm；亚微米层晶粒尺寸0.1～1μm；微米层晶粒尺寸1～5μm。

优选的，所述梯度层总层厚度为5～60微米。

优选的，所述纳米层0.5～5μm，亚微米层厚1～10μm；微米层厚3～35μm。

优选的，所述材料的制备方法包括：200～500℃恒温下用磨球在钨块表面干摩10～60min，制得表面多尺度结构钨块。

优选的，所述磨球为氧化铝圆珠。

优选的，所述干摩的正压力和摩擦线速度分别为10～50n，0.1～0.6m/s。

优选的，所述材料的制备方法还包括：干摩前对钨块表面进行打磨抛光、丙酮去油、超声清洗、干燥。

本发明要解决的第二个技术问题是提供上述的表面多尺度结构钨材料的制备方法。

为解决本发明的第二个技术问题，本发明所述的表面多尺度结构钨材料的制备方法包括：

200～500℃恒温下用磨球在钨块表面干摩10～60min，制得表面多尺度结构钨块；所述磨球优选为氧化铝圆珠。

优选的，所述干摩的正压力和摩擦线速度分别为10～50n，0.1～0.6m/s。

优选的，所述材料的制备方法还包括：干摩前对钨块表面进行打磨抛光、丙酮去油、超声清洗、干燥。

有益效果：

本发明所制备的表面多尺度层钨材料，其表面组织到基体组织之间呈梯度变化，晶粒尺寸从表至内由纳米增大到亚微米，再到微米。梯度层总层厚度可在短时间内达到几十微米。各尺度层之间结合良好，未有明显界面，未发生微裂纹、剥层等现象。

本发明提供的一种尺度连续且层间结合优良的表面多尺度结构钨材料的制备方法，所采用的干摩擦技术可稳定、准确的调节施加在材料表面的正压力，使得材料受力均匀且破坏性较小。该技术还可调节接触线速度，使钨块在压力和拉力作用下达到缓慢变形的效果。此外，高温环境对材料起到退火去应力作用，使得变形层无剥离现象，层间结合良好。

本发明简单，快速，且适用于大块样品制备。

附图说明

图1.为本发明制备的具有多尺度结构钨材料的截面形貌；总层厚约50μm；

图2.图1中区域ⅰ纳米层放大形貌；纳米层约5μm；

图3.图1中区域ⅱ亚微米层放大形貌；亚微米层厚约10μm；

图4.图1中区域ⅲ微米细化层放大形貌；微米层厚约35μm。

具体实施方式

为解决上述第一个技术问题，本发明所述表面多尺度结构钨材料的表面组织到基体组织之间设置有梯度层，所述梯度层的晶粒尺寸呈梯度变化，从所述表面组织至基体组织的梯度层依次为纳米层、亚微米层、微米层，所述纳米层、亚微米层、微米层的晶粒尺寸分别为纳米级、亚微米级和微米级；优选所述纳米层晶粒尺寸60～100nm；亚微米层晶粒尺寸0.1～1μm；微米层晶粒尺寸1～5μm。

优选的，所述梯度层总层厚度为5～60微米。

优选的，所述纳米层0.5～5μm，亚微米层厚1～10μm；微米层厚3～35μm。

优选的，所述材料的制备方法包括：200～500℃恒温下用磨球在钨块表面干摩10～60min，制得表面多尺度结构钨块。

优选的，所述磨球为氧化铝圆珠。

优选的，所述干磨的正压力和摩擦线速度分别为10～50n，0.1～0.6m/s。

优选的，所述材料的制备方法还包括：干磨前对钨块表面进行打磨抛光、丙酮去油、超声清洗、干燥。

为解决本发明的第二个技术问题，本发明所述的表面多尺度结构钨材料的制备方法包括：

200～500℃恒温下用磨球在钨块表面干摩10～60min，制得表面多尺度结构钨块；所述磨球优选为氧化铝圆珠。

优选的，所述干摩的正压力和摩擦线速度分别为10～50n，0.1～0.6m/s。

优选的，所述材料的制备方法还包括：干摩前对钨块表面进行打磨抛光、丙酮去油、超声清洗、干燥。

实施例1

总层厚50微米的表面多尺度结构钨材料制备的具体步骤为：

步骤1：将轧制态钨块用p400，800，1500，2000的碳化硅砂纸依次打磨表面，然后用抛光布与w2.5，w1和w0.5的金刚石研磨膏对其精细抛光。用丙酮将抛光后的钨表面残留有机物初洗，再放入超声器中清洗至表面光滑干净，最后取出钨块干燥待用。

步骤2：将步骤1中处理好的钨块置于高温摩擦试验机的样品室内，固定并保证表面与水平面齐平。将样品室温度升至500℃，升温速率150℃/分钟。磨珠采用氧化铝圆珠，正压力和摩擦线速度分别设置为20n，0.6m/s。在以上条件下摩擦50分钟，获得表面多尺度层钨材料，其截面形貌详见图1、图2、图3和图4。

由图1.可以看出本发明的的表面多尺度结构钨材料的梯度层总层厚约50μm；由图2可以看出纳米层约5μm，纳米层晶粒尺寸60～100nm；由图3可以看出亚微米层厚约10μm；亚微米层晶粒尺寸0.1～1μm；由图4可以看出微米层厚约35μm；微米层晶粒尺寸1～5μm。

由图1、图2、图3和图4可以看出本发明所制备的表面多尺度层钨材料，其表面组织到基体组织之间呈梯度变化，晶粒尺寸从表至内由纳米增大到亚微米，再到微米。梯度层总层厚度可在短时间内达到几十微米。各尺度层之间结合良好，未有明显界面，未发生微裂纹、剥层等现象。