本公开总体上涉及硬质合金材料以及包含其的块体。
背景技术：
1、目前处于紧密开发中的用于聚变发电厂的聚变核反应堆需要防护材料以免受由在极高温等离子体中的核聚变过程所引起的强烈中子辐射。从等离子体发射的所得高能中子必须被减慢(慢化)并且被等离子体周围的安全壳的壁捕获(吸收)。已知对此最适合的材料是碳化钨(wc)。然而，不可能由不含任何金属粘结剂的纯碳化钨生产出用于反应堆壁的100％致密块体。此外，必须避免壁材料中出现任何孔隙。
2、常规地，钴(co)基粘结剂被用于硬质合金的制造，然而采用中子屏蔽所需的常规wc-co硬质合金存在问题，这是因为钴会长时间保持放射性，根据以下文献所述：m.r.gilbert,t.eade等人(waste implications from minor impurities in europeandemo materials[欧洲demo材料中的微量杂质造成的废弃物影响].nuclear fusion[核聚变],2019年4月,doi:10.1088/1741-4326/ab154e)。根据同一参考文献，就其放射性同位素的寿命而言，铁是显著更好的粘结剂材料，使得wc-fe硬质合金对于形成中子屏蔽所需的反应堆壁的块体的制造是优选的。然而，众所周知(例如，参见b.uhrenius,h.pastor,e.pauty,on the composition of fe-ni-co-wc-based cemented carbides[关于fe-ni-co-wc基硬质合金的组成],int.j refractory met hard mater[国际难熔金属与硬质材料杂志].15(1997)139-149)，具有铁基粘结剂的硬质合金在1000℃下的两相区域，即其中仅碳化物相和粘结剂相平衡共存的区域，是非常窄的(大约0.01wt.％或更小)，与传统的wc-co硬质合金相比低10倍以上。这在具有铁粘结剂的硬质合金的生产中造成了重大困难，这是因为初始wc-fe分级粉末以及烧结炉的气氛中的碳含量的极微小偏差都会导致极脆的η相或游离碳的形成。基于这一点，wc-fe硬质合金无法在硬质合金工业中制造，因为几乎不可能在没有η相或游离碳的夹杂物的情况下生产该硬质合金，该夹杂物使得该硬质合金非常脆并且对于制造和钎焊用于聚变核反应堆壁的上述块体是不可接受的。
3、本发明的主要目的是克服上述困难。
技术实现思路
1、本发明的目的是通过将粘结剂相与保持放射性持续相对较短的时间的化学元素合金化来实现的。已经出人意料地发现，以本文所描述的特定量向wc-fe级粉末中添加具有不同化学元素(特别是铬)的粉末使得w-c-fe相图的区域变宽，其中仅碳化物相(即，wc和渗碳体)和金属粘结剂(即，fe基粘结剂)存在于平衡状态中，因此确保了以生产规模制造此类硬质合金而没有重大技术困难的可能性。
2、据此，在本发明的第一方面，提供了一种用于中子屏蔽的硬质合金体，所述硬质合金体含有wc、fe和cr，例如包含wc、fe和cr，由其组成或基本上由其组成，其中所述cr以相对于fe含量等于或小于6wt.％的量存在，所述硬质合金体的微观结构包含wc晶粒、渗碳体晶粒以及溶解于fe基粘结剂基质材料中的cr、w和c，由其组成或基本上由其组成。
3、作为一种选择，硬质合金体包含相对于铁含量至多5wt.％的si、ti、v、ge、ta、pb和/或y以及它们的组合。
4、作为一种选择，硬质合金体包含相对于fe含量至多50wt.％的mn。
5、根据本发明的第二方面，提供了一种用于中子屏蔽的硬质合金体，所述硬质合金体含有wc、fe和cr，例如包含wc、fe和cr，由其组成或基本上由其组成，其中所述cr以相对于fe含量大约1wt.％至大约150wt.％的量存在，所述硬质合金体包含wc晶粒、渗碳体晶粒以及溶解于fe基粘结剂基质材料中的cr、w和c，由其组成或基本上由其组成。
6、作为一种选择，cr以相对于fe含量大约1wt.％至大约90wt.％的量存在。
7、作为一种选择，cr以相对于fe含量大约1wt.％至大约10wt.％的量存在。
8、作为一种选择，cr以相对于fe含量大约1wt.％至大约6wt.％的量存在。
9、作为一种选择，cr以相对于fe含量大约5wt.％至大约90wt.％的量存在。
10、作为一种选择，cr以相对于fe含量大约5wt.％至大约10wt.％的量存在。
11、作为一种选择，硬质合金体具有至少15gpa的维氏硬度(vickers hardness)。维氏硬度是根据iso 6507-1:2018(metallic materials-vickers hardness test-part 1:test method[金属材料-维氏硬度测试-第1部分：测试方法])测量的。
12、作为一种选择，硬质合金体具有至少7mpa m1/2的巴氏(palmquist)断裂韧性。巴氏断裂韧性是根据iso 28079:2009(hardmetals-palmqvist toughness test[硬金属-巴氏韧性测试])测量的。
13、作为一种选择，硬质合金体包含小于0.01wt.％的游离碳。本文中的游离碳意指硬质合金体中以元素形式(例如以石墨形式)存在的碳。
14、作为一种选择，硬质合金体基本上不含游离碳。
15、作为一种选择，硬质合金体包含小于0.01wt.％的η相。
16、作为一种选择，硬质合金体基本上不含η相。
17、作为一种选择，硬质合金体的孔隙率小于1％。
18、作为一种选择，硬质合金体的孔隙率小于0.1％。
19、作为一种选择，硬质合金体是完全致密的。
20、作为一种选择，硬质合金体不含孔隙。
21、孔隙率、碳缺陷和η相含量的表征是根据iso 4499-4:2016(hardmetals-metallographic determination of microstructure-part 4:characterisation ofporosity,carbon defects and eta-phase content[硬质金属-微观结构的金相测定-第4部分：孔隙率、碳缺陷和η相含量的表征])进行。
22、作为一种选择，硬质合金体进一步包含相对于铁含量至多5wt.％的si、ti、v、ge、ta、pb和/或y以及它们的组合。
23、作为一种选择，硬质合金体进一步包含相对于fe含量至多50wt.％的mn。
24、根据本发明的第三方面，提供了一种制备如本文所述的硬质合金体的方法，该方法包括：将碳化钨、铁和含铬材料的粉末一起研磨；压制所研磨的粉末以形成生坯；在真空中在不超过1300℃的温度下烧结生坯并且持续至少15分钟的时间；以及冷却烧结体。
25、作为一种选择，该方法进一步包括添加呈碳化物、氮化物、碳氮化物或金属间化合物形式的si、ti、v、ge、ta、pb、y和/或mn(例如在研磨步骤中)，以提供包含呈碳化物、氮化物、碳氮化物或金属间化合物形式的si、ti、v、ge、ta、pb、y和/或mn的研磨粉末。
26、根据本发明的第四方面，提供了一种制备如本文所述的硬质合金体的方法，该方法包括：将碳化钨、铁和含铬材料的粉末一起研磨；压制所研磨的粉末以形成生坯；在真空中烧结所述生坯；以及冷却烧结体。
27、作为一种选择，烧结是在至少1200℃的温度下。
28、作为一种选择，烧结是在不超过1300℃的温度下和/或持续至少15分钟的时间。
29、作为一种选择，烧结是在至多1500℃的温度下。
30、作为一种选择，烧结是在大约1250℃至大约1480℃的温度下。
31、作为一种选择，烧结持续至少15分钟的时间。
32、作为一种选择，含铬材料是或包含碳化铬或氮化铬。
33、作为一种选择，碳化铬是cr3c2。
34、作为一种选择，该方法进一步包括添加呈碳化物、氮化物、碳氮化物或金属间化合物形式的si、ti、v、ge、ta、pb、y和/或mn(例如在研磨步骤中)，以提供包含呈碳化物、氮化物、碳氮化物或金属间化合物形式的si、ti、v、ge、ta、pb、y和/或mn的研磨粉末。
35、根据本发明的第五方面，提供了一种用于形成聚变核反应堆的壁的块体，所述块体包含如本文所述的硬质合金体。
36、根据本发明的第六方面，提供了如本文所述的硬质合金体在聚变核反应堆中的用途。
1.一种用于中子屏蔽的硬质合金体，所述硬质合金体含有wc、fe和cr，其中所述cr以相对于fe含量大约1wt.％至大约150wt.％的量存在，所述硬质合金体包含wc晶粒、渗碳体晶粒以及溶解于fe基粘结剂基质材料中的cr、w和c。
2.根据权利要求1所述的硬质合金体，其中，所述cr以相对于所述fe含量大约1wt.％至大约90wt.％的量存在。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的硬质合金体，其中，所述cr以相对于所述fe含量大约1wt.％至大约10wt.％的量存在。
4.根据任一项前述权利要求所述的硬质合金体，其中，所述cr以相对于所述fe含量大约1wt.％至大约6wt.％的量存在。
5.根据任一项前述权利要求所述的硬质合金体，其具有至少15gpa的维氏硬度。
6.根据任一项前述权利要求所述的硬质合金体，其具有至少7mpa m1/2的巴氏断裂韧性。
7.根据任一项前述权利要求所述的硬质合金体，其基本上不含游离碳。
8.根据任一项前述权利要求所述的硬质合金体，其基本上不含η相。
9.根据任一项前述权利要求所述的硬质合金体，其中，所述硬质合金体的孔隙率小于0.1％。
10.根据任一项前述权利要求所述的硬质合金体，其进一步包含，相对于所述铁含量至多5wt.％的si、ti、v、ge、ta、pb和/或y以及它们的组合。
11.根据任一项前述权利要求所述的硬质合金体，其进一步包含，相对于所述fe含量至多50wt.％的mn。
12.一种制备根据任一项前述权利要求所述的硬质合金体的方法，所述方法包括：
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述烧结是在至少1200℃的温度下。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中，所述烧结是在至多1500℃的温度下。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述烧结是在大约1250℃至大约1480℃的温度下。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，所述烧结持续至少15分钟的时间。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，所述含铬材料是碳化铬或氮化铬。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述碳化铬是cr3c2。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，当从属于权利要求10或11时，所述方法进一步包括添加呈碳化物、氮化物、碳氮化物或金属间化合物形式的si、ti、v、ge、ta、pb、y和/或mn。
20.一种用于形成聚变核反应堆的壁的块体，所述块体包含根据权利要求1至11中任一项所述的硬质合金体。
21.根据权利要求1至11中任一项所述的硬质合金体在聚变核反应堆中的用途。
