一种全致密三维纤维增韧钨基复合材料的制备方法与流程

本发明涉及钨基材料的制备工艺，具体涉及一种全致密三维纤维增韧钨基复合材料的制备方法。

背景技术：

1、钨以其高熔点、高溅射阈值、高热导率、低氚滞留等优点，被选作国际热核聚变实验堆中的承受最高热载荷的面向等离子体部件的材料--偏滤器材料。钨被认为是未来最有希望的核聚变壁材料。但是，钨的低温脆性极大影响了它的常温制备加工性能,钨的高温服役环境导致的再结晶脆变，也大大影响着钨的服役寿命。而且，在未来聚变工程堆中，材料经中子辐照后致脆问题不可避免，这些都使钨材料在核聚变能的工程实践上面临着韧性不足的问题。

2、改善钨的脆性，可用金属合金化，晶粒超细化或加入第二相弥撒强化等手段，能从一定程度上改善钨的韧性，但是钨在高温服役过程中再结晶脆性以及增韧成分在高温下的不稳定性还是难以避免，如果考虑到更高参数的服役环境，钨的综合机械性能还存在着严重的不足，所以，开发新的增韧技术，制备具有更高韧性的钨基材料有着重要的意义。

3、公开号为cn112442643b的中国专利公开了一种层状纤维增韧钨基复合材料及其制备方法，该种复合材料包括相互交替层叠的钨基体层和钛箔、钨纤维网增韧层，在真空条件下进行放电等离子烧结后制得层状纤维增韧钨基复合材料。该方法获得的复合材料虽然沿层状纤维平面内各个方向的韧性得到显著改善，但并无沿层间方向的增韧效果。

4、公开号为cn115404419a的中国专利公开了一种钨丝增强钨基复合材料的制备方法，该方法利用化学气相沉积法在钨丝三维编织体上沉积钨，然后利用多次钨粉浆料浸渍煅烧，多次钨酸盐浸渍煅烧，再进行高温压力加工制得带有三维钨丝编织体的钨基复合材料。该方法未在钨丝与基体之间设置满足赝氏增韧机理所需的功能界面，复合材料的赝氏韧性无法实现。同时该方法获得的块体材料的致密度(～97.2％)有限，无法达到工程应用的要求(>98.4％)。此外，该方法制备过程中采用的锻造工序会对增强相结构产生破坏，导致其增韧效果存在缺陷。

5、因此目前的纤维增强钨基复合材料的制备方法仍然存在不全致密以及增韧效果不佳的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是目前的纤维增强钨基复合材料的制备方法仍然存在不全致密以及增韧效果不佳的问题，目的在于提供一种全致密三维纤维增韧钨基复合材料的制备方法，解决目前的纤维增强钨基复合材料的制备方法仍然存在不全致密以及增韧效果不佳的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种全致密三维纤维增韧钨基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1：利用磁控溅射镀层法将功能界面层镀置于连续长钨纤维上；

5、步骤2：将带有功能界面层的钨纤维缠绕于三维支架上，得到三维编织增强体；

6、步骤3：利用注射成型法将钨基体浆料注射入三维编织增强体的空隙中，得到复合材料注射坯件；

7、步骤4：利用热脱附法除去注射件中的成型剂，得到复合材料生坯；

8、步骤5：利用热压烧结法和超高压高温烧结法对复合材料生坯进行烧结，得到复合材料块体。

9、其中采用磁控溅射法镀置的功能界面层是实现纤维增强复合材料赝氏韧性的关键，根据纤维增强复合材料界面能理论，纤维增强复合材料要实现赝氏韧性，增强体(钨纤维)与基体(钨基体)的界面的开裂能与钨纤维的断裂能的比例要小于0.25，同时界面开裂能的大小又进一步影响着复合材料最终断裂韧性的大小，界面的成分和厚度又决定着界面开裂能的大小，本技术中限定的工艺参数使得最终成型的复合材料块体具有高断裂韧性。

10、本技术采用注射成型法将钨基浆料注射入三维编织增强体的空隙中获得复合材料注射坯件，该方法既能保持三维增强体的结构设计的完整性和稳定性，又能均匀、致密、迅速地填置钨基体，同时还可以避免交替层叠铺置法只能做二维增强结构的弊端，还比采用钨粉浆料浸渍煅烧法填充钨基体更均匀、更高效。

11、本技术中的钨基复合材料的增韧机理是在钨基体材料断裂时通过界面开裂、纤维的拔出和滑移来消耗能量，抑制材料脆断，从而使得材料显塑形的效果，该方法基于结构力学中的能量消散，可以有效地避免基于成分增韧机理的工况温度制约的问题。

12、本技术的制备方法利用磁控溅射法将氧化物、金属或金属间化合物等功能界面层镀置于连续钨丝上，通过在三维支架上进行缠绕获得带功能界面层的三维编织增强体，再利用注射成型技术获得注射坯件，最后通过热压烧结和超高压高温烧结技术获得全致密(致密度>99％)的三维纤维增强钨基复合材料，增韧效果好，可以制备出工程适用的具有三维纤维增韧效果的钨基复合材料。

13、本技术采用热压烧结法与超高压高温烧结法结合的方式，首先通过热压烧结法进行初步的烧结，经过初步烧结之后的试样的致密度可以达到80％以上，经过初步的热压烧结之后，再进行超高压高温烧结，即可使得最终的复合材料块体的致密度达到99％以上。

14、优选的，步骤1中所述的功能界面层的材料包括氧化物、金属、金属间化合物中的任意一种或多种，镀层的厚度为0.1μm～2mm。

15、其中氧化物包括yox、zrox、erox等；金属包括ti、ta等。

16、优选的，步骤1中所述的连续长钨纤维包括纯钨丝、钾泡增强的钨丝、或钨铼丝，其中钨丝的纯度为99％以上，连续长钨纤维的直径为20～500μm。

17、其中连续长钨纤维为商业用或研发用钨丝。

18、优选的，步骤2中的三维编织增强体的绕缠中采用的三维支架与绕缠方式应使三维编织增强体具有三维各项同性分布结构。

19、优选的，步骤2中的三维编织增强体的体积密度为1％～30％。

20、优选的，步骤3中的钨基体浆料的成分为钨粉与成型剂的混合物，其中钨粉的纯度为99％以上，钨粉的粉料粒度为1～5μm；所述成型剂包括石蜡、pp、pe、硬脂酸中的任意一种或多种的混合物。

21、优选的，所述钨粉还可以是掺杂有yox、zrc、ta、k等中的任意一种或多种强化相掺杂钨粉；所述钨粉与成型剂的体积比为2/3～3/2。

22、优选的，步骤3中注射成型时采用的注射参数为：注射压力为120～200mpa，料筒的加热温度为120～200℃，模具温度为25～100℃。

23、优选的，步骤4的热压脱附法中的保护气氛为氢气气氛，流量为0.5～1.5m3/h，热脱附温度为800～1200℃，保温时间为180～360分钟。

24、优选的，步骤5中的热压烧结的烧结温度为1200～2000℃，压力为40mpa～80mpa，真空度小于0.1pa，热压保温时间为120～360分钟；所述超高压高温烧结的烧结温度为1200～1800℃，压力为1gpa～10gpa，烧结时间为5～120分钟。

25、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

26、(1)本技术采用注射成型法将钨基浆料注射入三维编织增强体的空隙中获得复合材料注射坯件，该方法既能保持三维增强体的结构设计的完整性和稳定性，又能均匀、致密、迅速地填置钨基体，同时还可以避免交替层叠铺置法只能做二维增强结构的弊端，还比采用钨粉浆料浸渍煅烧法填充钨基体更均匀、更高效；

27、(2)本技术中的钨基复合材料的增韧机理是在钨基体材料断裂时通过界面开裂、纤维的拔出和滑移来消耗能量，抑制材料脆断，从而使得材料显塑形的效果，该方法基于结构力学中的能量消散，可以有效地避免基于成分增韧机理的工况温度制约的问题；

28、(3)本技术的制备方法利用磁控溅射法将氧化物、金属或金属间化合物等功能界面层镀置于连续钨丝上，通过在三维支架上进行缠绕获得带功能界面层的三维编织增强体，再利用注射成型技术获得注射坯件，最后通过热压烧结和超高压高温烧结技术获得全致密(致密度>99％)的三维纤维增强钨基复合材料，增韧效果好，可以制备出工程适用的具有三维纤维增韧效果的钨基复合材料；

29、(4)本技术采用热压烧结法与超高压高温烧结法结合的方式，首先通过热压烧结法进行初步的烧结，经过初步烧结之后的试样的致密度可以达到80％以上，经过初步的热压烧结之后，再进行超高压高温烧结，即可使得最终的复合材料块体的致密度达到99％以上。