一种力学性能优良的高熵钨重合金的制备方法

本发明属于金属结构材料制备，涉及一种力学性能优良的高熵钨重合金制备方法。

背景技术：

1、目前，要想实现聚变能的有效利用，还有许多的技术壁垒需要攻破。关键问题之一就是面向高温等离子体第一壁结构材料(pfms)的选择。pfms是指在可控聚变反应装置中直接面对等离子体第一壁、偏滤器和限制器的装甲材料。一般而言，面向等离子体材料需要具备良好的导热性能、较高的热冲击抗力、高热负荷能力，低溅射速率、低氚滞留等特性。作为一种战略性材料，体心立方金属钨(w)因其具有高熔点、高导热性、优异的抗溅射侵蚀、高温强度和抗蠕变性等优异性能，被誉为用于第一壁的首选材料。此外，钨合金还是尖端武器装备和高新技术发展不可或缺的关键材料，该材料的研制水平是国家技术的重要标志。但是，过渡金属w的低温韧性很差，在室温下脆的像“玻璃”一样；韧脆转变温度(dbtt)较高，极大地限制w及其合金的加工和应用。

2、因此，如何提升w的低温韧性一直是近年来的研究热点。研究发现，通过加入合金元素(铼，钽等)或变形工艺(轧制，高压扭转等)可以改变w中的位错行为，提升低温韧性，降低w的dbtt。但是，以上方法的改善能力有限，同时降低了材料的高温强度，无法同时具备低温高韧性，高温高强度的力学性能。这对该材料在极端环境(如极地，空间站等温差较大的服役环境)中的应用极其不利。因此，亟需实现高强、高韧、高密度w合金产业的升级换代。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种力学性能优良的高熵钨重合金的制备方法，该方法制备的合金同时具备低温高韧性及高温高强度的力学性能。

2、为达到上述目的，本发明所述的力学性能优良的钨重合金材料的制备方法包括以下步骤：

3、1)将高熵合金的单质粉末与钨基体单质粉末进行混合，再进行球磨及干燥，得合金粉末；

4、2)将步骤1)得到的合金粉末填装于模具中，再在真空热压烧结炉中依次在氢气氛围中及氩气氛围中进行烧结，得异质结构合金材料；

5、3)将步骤2)得到的异质结构合金材料进行轧制，然后升温进行真空再结晶退火，得力学性能优良的钨重合金材料。

6、步骤1)中球磨的具体过程为：

7、在氩气气氛的保护下，通过球磨机进行球磨，其中，球磨机的转速为250r/min～400r/min，高能球磨时间为20～40h。

8、步骤1)中干燥的具体过程为：

9、将球磨后的产物放置于真空干燥箱中，在100℃下干燥300min。

10、步骤2)的具体操作为：

11、将所述合金粉末装填于圆柱石墨模具中，在真空热压烧结炉中进行烧结，得fcc高熵相+钨基体的异质结构材料，其中，烧结过程中的压力为25～35mpa，促进其致密化，抑制晶粒长大。

12、烧结采用两步烧结工艺，在氢气氛围中，在800～1100℃下烧结60～120min，然后在氩气氛围中，在1200～1500℃下烧结120～180min，烧结完成后将样品随炉冷却至室温，得致密度大于等于98％的异质结构合金材料。

13、步骤3)的具体操作为：

14、在800～1000℃下对所述异质结构材料进行轧制处理，再升温至1200～1500℃进行高真空再结晶退火10h，得力学性能优良的钨重合金材料。

15、轧制过程中的形变量为50％。

16、升温速率为5℃/min～10℃/min，炉膛内的真空度为3.0×104pa～8×105pa。

17、本发明具有以下有益效果：

18、本发明所述的力学性能优良的钨重合金材料的制备方法在具体操作时，结合压力烧结和气氛烧结的优点，采用两步烧结工艺，得到成分均匀且致密度较高的块体材料，通过烧结气氛去除合金中固溶氢和氧，避免氢脆和氧脆，使其同时具备低温高韧性及高温高强度的力学性能，保证合金优异的力学性能，最后通过轧制消除烧结材料中的微孔，需要说明的是，本发明制备得到的钨重合金材料在低温下，由于高熵相优异的变形能力，使得该合金韧性良好，克服传统钨合金的低温脆性；在高温下，钨基体主导变形，使得该合金具备优异的高温强度，从而拓宽钨合金的应用范围。

技术特征：

1.一种力学性能优良的钨重合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的力学性能优良的钨重合金材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中球磨的具体过程为：

3.根据权利要求1所述的力学性能优良的钨重合金材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中干燥的具体过程为：

4.根据权利要求1所述的力学性能优良的钨重合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2)的具体操作为：

5.根据权利要求1所述的力学性能优良的钨重合金材料的制备方法，其特征在于，烧结采用两步烧结工艺，在氢气氛围中，在800～1100℃下烧结60～120min，然后在氩气氛围中，在1200～1500℃下烧结120～180min，烧结完成后将样品随炉冷却至室温，得致密度大于等于98％的异质结构合金材料。

6.根据权利要求1所述的力学性能优良的钨重合金材料的制备方法，其特征在于，步骤3)的具体操作为：

7.根据权利要求6所述的力学性能优良的钨重合金材料的制备方法，其特征在于，轧制过程中的形变量为50％。

8.根据权利要求6所述的力学性能优良的钨重合金材料的制备方法，其特征在于，升温速率为5℃/min～10℃/min，炉膛内的真空度为3.0×104pa～8×105pa。

技术总结
本发明公开了一种力学性能优良的高熵钨重合金的制备方法，包括以下步骤：1)将高熵合金的单质粉末与钨基体单质粉末进行混合，再进行球磨及干燥，得合金粉末；2)将步骤1)得到的合金粉末填装于模具中，再在真空热压烧结炉中依次在氢气氛围中及氩气氛围中进行烧结，得异质结构合金材料；3)将步骤2)得到的异质结构合金材料进行轧制，然后升温进行真空再结晶退火，得力学性能优良的钨重合金材料，该方法制备的合金同时具备低温高韧性及高温高强度的力学性能。

技术研发人员：韩卫忠,张雨衡
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12