一种镀氮化铝短钨纤维增韧钨基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金工艺制备高性能钨基复合材料技术领域，具体涉及一种镀氮化铝短钨纤维增韧钨基复合材料及其制备方法。

背景技术

金属钨及其合金具有熔点高、热膨胀系数低、溅射腐蚀率低、氘氚滞留率低等一系列优点，被视为未来核聚变反应堆面向等离子体材料的候选材料。然而，金属钨材料的脆性问题严重限制了其在该领域的应用。面向等离子体材料在服役过程中将承受较大的热负荷，其内部存在温度梯度引发的热应力，在较大热应力的作用下脆性钨材料可能出现开裂现象。

合金化、颗粒强化及细晶强化是解决钨材料脆性问题的传统方法。然而，在大热流密度和中子辐照作用下，上述内韧化机制将逐渐失效。因此，采用内韧化工艺制备的钨材料不适于作为面向等离子体材料长期服役。针对这一问题，国内外研究人员采用纤维增韧工艺制备了钨纤维(W

W

作为面向等离子体材料使用的钨材料，一方面需具有较高的强韧性，避免其在较大热应力作用下开裂失效，另一方面也需具有较优的导热性能，保证其具有较强的快速导热能力，避免钨材料面向等离子体侧因温度过高出现熔化或再结晶脆化等现象。因此，研发一种具有新型纤维/基体界面结构、可兼顾强韧性与快速导热能力的短纤维W

发明内容

本发明旨在研发一种可同时提高金属钨材料强韧性与导热性能的短纤维W

本发明提出的镀氮化铝短钨纤维增韧钨基复合材料的基体为钨(W)基体，增韧体为表面具有氮化铝(AlN)镀层的短钨纤维(W

进一步地，基体中活化烧结元素包括铁粉、镍粉、钴粉、铝粉、钯粉，添加量按质量百分比为0.1％～1.0％。

上述镀氮化铝短钨纤维增韧钨基复合材料的制备方法包括如下步骤：

步骤(1)镀AlN短纤维W

a.以无水乙醇或丙酮对原始短纤维W

b.采用包括但不限于磁控溅射、化学气相沉积等表面镀覆技术于原始短纤维W

步骤(2)镀AlN短纤维W

a.按一定比例配制镀AlN短纤维W

b.将混合粉体进行致密化烧结，采用放电等离子烧结工艺对混合粉体进行烧结，烧结温度为1500～2000℃，烧结压力为50～80MPa，保温与保压时间为1～5min，得到镀AlN短纤维W

进一步地，步骤(1)a-b中，原始短纤维W

进一步地，步骤(1)b中，采用磁控溅射技术于原始短纤维W

进一步地，步骤(1)b中，采用化学气相沉积技术于原始短纤维W

进一步地，步骤(2)a中，W粉粒径为500nm～10μm，活化烧结元素粉末粒径为1～5μm。

进一步地，步骤(2)a中，将原料进行球磨混合时，所用的球磨罐与磨球的材质均为硬质合金，将W粉与镀AlN短纤维W

进一步地，步骤(2)a中，原料混合时，在球磨罐中充入高纯Ar作为保护气氛，步骤(2)b中，放电等离子烧结过程全程采用高纯Ar作为保护气氛。

进一步地，步骤(2)b中，所述放电等离子烧结过程是以50～100℃/min的升温速率升至目标温度，烧结压力随升温过程同步加载至目标压力，保温过程与保压过程同步进行，而后随炉冷却，同时卸载压力。

进一步地，烧结使用的设备无法满足温度要求，烧结温度低于1800℃时，可向钨基体中添加活化烧结元素，包括但不限于铁粉(Fe)、镍粉(Ni)、钴粉(Co)、铝粉(Al)、钯粉(Pd)等，活化烧结元素粉末添加量按质量百分比为0.1～1.0％，利用活化烧结工艺降低钨基复合材料烧结致密化所需的温度。

本发明镀氮化铝短钨纤维增韧钨基复合材料适用于高性能钨基结构材料领域，特别适用于需要兼顾强韧性与导热性能的核聚变面向等离子体材料领域。

需要说明的是，部分活化烧结元素如Ni、Co、Pd等存在辐照嬗变的问题，在中子辐照的作用下，上述元素会产生具有较长半衰期的放射性元素，故在核聚变面向等离子体材料领域内禁止使用。相应地，该领域内可选择Fe元素作为活化烧结元素。若材料应用领域内无使用元素的限制，则可选择其他活化烧结元素。

本发明的优点在于：

1.本发明首次采用镀氮化铝短钨纤维(W

2.AlN具有较高(高于纯W)的热导率，位于纤维/基体界面处的AlN层可作为短纤维W

附图说明

图1为实施例1所制备的镀AlN短纤维W

图2为实施例2所制备的镀AlN短纤维W

图3为实施例1-4所制备的镀AlN短纤维W

具体实施方式

下面结合说明书附图及实施例详述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。本领域技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例是一种镀氮化铝短钨纤维增韧钨基复合材料及其制备方法。

所涉及的复合材料成分为30％W

本实施例的制备方法具体包括如下步骤：

步骤(1)镀AlN短纤维W

以无水乙醇对原始短纤维W

步骤(2)镀AlN短纤维W

将W粉与镀AlN短纤维W

实施例2

本实施例是一种镀氮化铝短钨纤维增韧钨基复合材料及其制备方法。

所涉及的复合材料成分为20％W

本实施例的制备方法具体包括如下步骤：

步骤(1)镀AlN短纤维W

以无水乙醇对原始短纤维W

步骤(2)镀AlN短纤维W

将W粉与镀AlN短纤维W

实施例3

本实施例是一种镀氮化铝短钨纤维增韧钨基复合材料及其制备方法。

所涉及的复合材料成分为10％W

本实施例的制备方法具体包括如下步骤：

步骤(1)镀AlN短纤维W

以丙酮对原始短纤维W

步骤(2)镀AlN短纤维W

将W粉、Fe粉与镀AlN短纤维W

实施例4

本实施例是一种镀氮化铝短钨纤维增韧钨基复合材料及其制备方法。

所涉及的复合材料成分为30％W

本实施例的制备方法具体包括如下步骤：

步骤(1)镀AlN短纤维W

以丙酮对原始短纤维W

步骤(2)镀AlN短纤维W

将W粉、Fe粉与镀AlN短纤维W

对比例a

参照实施例1与实施例2的实施操作。对比例a与实施例1、实施例2的区别仅在于：对比例a涉及的材料不含镀AlN短纤维W

对比例b

参照实施例3与实施例4的实施操作。对比例b与实施例3、实施例4的区别仅在于：对比例b涉及的材料不含镀AlN短纤维W

表1为实施例1-4与对比例a-b所制备的材料的室温抗弯强度、断裂韧性及热导率。

表1