Tungsten and tungsten alloys are widely used in high temperature environments where mechanical deformation and damage are the main sources of materials failure. For high temperature critical applications in thermomechanical environments, however, the low strength at high temperature limits the use of tungsten and tungsten alloys. Hence, new tungsten based materials with good high temperature thermomechanical properties need to be developed in order to extend the use of tungsten. In this study, fabrication process of tungsten matrix composites containing zirconium nitride particles (ZrN/W) have been investigated to enhance the high temperature mechanical properties.
In order to dispersse the ZrN nanoparticles in tungsten matrix, mechanical alloying process has been used to mix the ZrN and W powders. ZrN powders become more finer as increasing MA time. The side of ZrN particles have been controlled by controlling the speed and time of mechanical alloying, and by controlling of thr intial ZrN particles.
ZrN particle-reinforced tungsten based composites were fabricated by SPS at temperature ranged $1400~1700\degC$ under 50 MPa. The grain size and relative of ZrN/W nanocomposites are increased with increasing the sintering temperature. The compressive strength, hardness, frexural strength and fracture toughness of ZrN/W nanocomposites are increased with decreasing grain size of W matrix and with increasing the relative density of nanocomposites. The addition of zirconium nitride remarkably increases the Vickers hardness of the ZrN/W nanocomposites. The compressive strength of ZrN/W nanocomposites tested at room temperature can be formulated as a function of ZrN content. The addition of ZrN particles up to 30 vol.% increased the compressive strength of ZrN/W nanocomposites, however, the compressive strength decreased with increasing the ZrN contents above 30vol.% due to sharp decrease of relative density of ZrN/W nanocomposites.
고온환경에서의 내열소재로 다양하게 사용되어온 텅스텐과 텅스텐 합금은 고온에서의 기계적 강도의 급격한 감소때문에 그 사용이 제한되어왔다. 따라서 이러한 고온에서의 제한성을 극복하고 그 이용범위를 확대하고자 텅스텐을 기지재로한 새로운 복합재료가 연구 되어왔다. 본 연구에서는 텅스텐을 기지재로 하고 지르코늄 질화물을 함유하고 있는 내열소재를 개발하였다. 텅스텐 기지내에 지르코늄 질화물을 균일하게 분산하고자 기계적 합금화 공정을 사용 하였으며 합금화 시간이 증가 함에 따라 텅스텐과 지르코늄 질화물 분말은 균일하게 혼합이 되었다. 기계적 합금화 공정간의 인자로서 합금화 속도와 분말들의 초기사이즈를 차별화 하여 제조를 하였다.
지르코늄 질화물이 강화된 텅스텐 복합분말의 소결은 방전플라즈마 소결법을 이용하여 온도조건$1400~1700\degC$, 압력은 50MPa로 하여 소결은 진행하였다. 텅스텐의 grain size와 상대밀도는 소결온도가 증가함에따라 증가를 하였고 기계적 특성평가 결과 압축강도, 경도, 굴곡강도, 파괴인성값은 복합재료의 grain size와 상대밀도가 증가함에 따라 증가를 하였다. 또한, 지르코늄 질화물의 함량이 증가함에 따라 30vol.% 까지는 압축강도가 증가를 하고 이후 에는 감소를 하게 되는데 이는 30vol.%이후의 난소결성 문제로 인한 상대밀도의 감소로 판단된다.
