D0L:10.13374/.issn1001-053x.2011.07.005 第33卷第7期 北京科技大学学报 Vol.33 No.7 2011年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2011 超高压力下通电烧结制备钨铁功能梯度材料 屈丹丹 周张健⑧ 谈军 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhouzhj@mater..usth.cdu.cm 摘要采用超高压力下通电烧结技术制备了钨体积分数为0%、25%、50%、75%和100%的钨铁功能梯度材料.研究了材 料组分和工艺参数对W/Fe功能梯度材料的显微形貌及力学性能的影响.结果表明：当施加压力为9GPa,通电功率为11kW, 通电时间60s时可以获得相对密度大于98%的钨铁功能梯度材料，其组分分布与设计成分保持一致. 关键词功能梯度材料：钨：铁：超高压力：通电烧结 分类号TB34 Fabrication of tungsten/iron functionally graded materials by resistance sinte- ring under ultra-high pressure QU Dan-dan,ZHOU Zhang jian,TAN Jun School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhouzhj@mater.usth.cdu.cn ABSTRACT ungsten/iron functionally graded materials (FGM),in which the volume fractions of tungsten are 0%,25%,50%, 75%and 100%respectively,were produced by resistance sintering under ultra high pressure.The effects of components and prepara- tion parameters on the microstructure and mechanical properties of W/Fe FGM were analyzed.It is shown that W/Fe FGM,whose rel- ative density reaches more than 98%,can be obtained at a pressure of 9GPa and an input power of 11kW for 60s so that the elemental composition distribution is in agreement with the designed. KEY WORDS functionally graded materials (FGM);tungsten;iron:ultra high pressure;resistance sintering 金属钨由于具有熔点高、蒸气压低、硬度高、耐 为了解决以上难题，需要探索新的钨钢连接方法及 腐蚀性好、低氚滞留以及抗等离子体冲刷能力强等 其界面设计. 优良性能，最有希望用作聚变堆面向等离子体材料 本文采用功能梯度材料(functionally graded ma- (plasma facing materials,PFMs)习.以低活性铁素 terials,FGM)的概念连接钨和铁，在充分保留和发 体/马氏体钢为代表的铁基材料则最有希望用作核 挥组元钨和钢各自的特点的同时，缓和钨与钢热物 聚变反应装置中第一壁和包层的结构材料日.钨和 理性能不匹配而造成的热应力问题.此外，W和Fe 铁基材料的连接成为一个重要的研究课题同.目前 的熔点差别较大，采用常规烧结方法很难一步获得 钨和铁基材料的连接方法主要有扩散结合、等 W/Fe FGM样品.本文对采用超高压力下通电烧结 离子体喷涂和活性金属焊接可等.由于钨在一定 新技术制备W/Fe FGM进行了初步研究. 温度下会和铁等元素发生反应，传统的焊接方法很 1实验 可能在焊接界面产生脆性相(FeW和Fe,W。).同时 由于钨和铁的热物理性能，如导热系数尤其是热膨 实验使用的钨粉平均粒度为2um,纯度大于 胀系数差距很大图，因此在连接过程中，焊接界面 99.9%;铁粉粒度为-200目，纯度大于99.9%.将钨粉 上很容易产出较大的残余热应力，造成界面失效. 和铁粉按体积比(W25Fe75,W50Fe50,W75Fe25)混合， 收稿日期：2010-07-26 基金项目：国家磁约束核聚变能研究专项基金资助项目(No.2010GB109000)第 33 卷 第 7 期 2011 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 7 Jul． 2011 超高压力下通电烧结制备钨铁功能梯度材料 屈丹丹 周张健 谈 军 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: zhouzhj@ mater． ustb． edu． cn 摘 要 采用超高压力下通电烧结技术制备了钨体积分数为 0% 、25% 、50% 、75% 和 100% 的钨铁功能梯度材料． 研究了材 料组分和工艺参数对 W/Fe 功能梯度材料的显微形貌及力学性能的影响． 结果表明: 当施加压力为 9 GPa，通电功率为 11 kW， 通电时间 60 s 时可以获得相对密度大于 98% 的钨铁功能梯度材料，其组分分布与设计成分保持一致． 关键词 功能梯度材料; 钨; 铁; 超高压力; 通电烧结 分类号 TB34 Fabrication of tungsten /iron functionally graded materials by resistance sinte￾ring under ultra-high pressure QU Dan-dan，ZHOU Zhang-jian ，TAN Jun School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: zhouzhj@ mater． ustb． edu． cn ABSTRACT ungsten /iron functionally graded materials ( FGM) ，in which the volume fractions of tungsten are 0% ，25% ，50% ， 75% and 100% respectively，were produced by resistance sintering under ultra high pressure． The effects of components and prepara￾tion parameters on the microstructure and mechanical properties of W/Fe FGM were analyzed． It is shown that W/Fe FGM，whose rel￾ative density reaches more than 98% ，can be obtained at a pressure of 9 GPa and an input power of 11 kW for 60 s so that the elemental composition distribution is in agreement with the designed． KEY WORDS functionally graded materials ( FGM) ; tungsten; iron; ultra high pressure; resistance sintering 收稿日期: 2010--07--26 基金项目: 国家磁约束核聚变能研究专项基金资助项目( No． 2010GB109000) 金属钨由于具有熔点高、蒸气压低、硬度高、耐 腐蚀性好、低氚滞留以及抗等离子体冲刷能力强等 优良性能，最有希望用作聚变堆面向等离子体材料 ( plasma facing materials，PFMs) ［1--2］． 以低活性铁素 体/马氏体钢为代表的铁基材料则最有希望用作核 聚变反应装置中第一壁和包层的结构材料［3］． 钨和 铁基材料的连接成为一个重要的研究课题［3］． 目前 钨和铁基材料的连接方法主要有扩散结合［4--5］、等 离子体喷涂［6］和活性金属焊接［7］等． 由于钨在一定 温度下会和铁等元素发生反应，传统的焊接方法很 可能在焊接界面产生脆性相( FeW 和 Fe7W6 ) ． 同时 由于钨和铁的热物理性能，如导热系数尤其是热膨 胀系数差距很大［8］，因此在连接过程中，焊接界面 上很容易产出较大的残余热应力，造成界面失效． 为了解决以上难题，需要探索新的钨钢连接方法及 其界面设计． 本文采用功能梯度材料( functionally graded ma￾terials，FGM) 的概念连接钨和铁，在充分保留和发 挥组元钨和钢各自的特点的同时，缓和钨与钢热物 理性能不匹配而造成的热应力问题． 此外，W 和 Fe 的熔点差别较大，采用常规烧结方法很难一步获得 W/Fe FGM 样品． 本文对采用超高压力下通电烧结 新技术制备 W/Fe FGM 进行了初步研究． 1 实验 实验使用的钨粉平均粒度为 2 μm ，纯度大于 99. 9%; 铁粉粒度为 －200 目，纯度大于99. 9%． 将钨粉 和铁粉按体积比( W25Fe75，W50Fe50，W75Fe25) 混合， DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.07.005