核聚變堆關(guān)鍵材料的強(qiáng)韌化研究.pdf

1、氧化物彌散強(qiáng)化鋼（ODS）具有優(yōu)異的高溫性能和抗輻照性能，是聚變堆最佳的包層結(jié)構(gòu)材料備選材料之一。鎢具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、高濺射閾值、低氚滯留、與等離子體良好的兼容性等優(yōu)點(diǎn)成為最具潛力的面向等離子體材料。但脆性嚴(yán)重制約了這兩類材料的應(yīng)用和發(fā)展。針對(duì)這兩種材料共有的脆性問(wèn)題，本論文主要采用層狀增韌技術(shù)對(duì)它們進(jìn)行了強(qiáng)韌化研究。主要結(jié)論如下所述：
　?。?）首先，我們對(duì)N-RAFM（低活化鐵素體/馬氏體鋼）鋼進(jìn)行了研究，Ti、V、N合金

2、元素含量的增加都能使鋼的組織細(xì)化，但Ti含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致析出物尺寸增加。優(yōu)化的二次淬火-回火熱處理能顯著細(xì)化鋼的組織，并降低DBTT。但N-RAFM鋼的DBTT隨著Ti含量的增加而升高，這是因?yàn)門i促進(jìn)了有害的方形碳氮化物(Ti,V)(C,N)的形成。二次淬火-回火處理下，含Ti的N-RAFM鋼的DBTT在-47℃～-40℃范圍內(nèi)，但仍遠(yuǎn)低于室溫。而且 Ti、N的加入細(xì)化了組織，在鋼中形成大量穩(wěn)定的納米氮化物析出物，而輻照下更穩(wěn)定的組織和

3、DBTT比更低的初始DBTT更重要。
　　（2）在N-RAFM鋼的基礎(chǔ)上，我們對(duì)ODS鋼基體進(jìn)行了N強(qiáng)韌化研究。N可以細(xì)化晶粒，并得到大量與基體親潤(rùn)性良好的納米碳氮化物析出物和氮化物包覆氧化物的顆粒，改善了析出物與基體的親潤(rùn)性。同時(shí)，ODS鋼雙峰的晶粒尺寸分布和大量納米Y-Ti-O析出物，使得N-ODS鋼具有較高的強(qiáng)度和塑性，例如0.2N-ODS鋼的強(qiáng)度和塑性高達(dá)934MPa、11％。N含量繼續(xù)增大到0.5%時(shí)，細(xì)晶含量增加，析出

4、物和被析出物釘扎的位錯(cuò)密度也增加，使0.5N-ODS鋼的強(qiáng)度高達(dá)1310MPa，塑性降低至7.1%。過(guò)量的N使鋼中形成了大顆粒的球形CrVTiN復(fù)合氮化物，并減少了細(xì)小的MX相析出物，也導(dǎo)致了0.5N-ODS鋼的塑性降低。但不會(huì)像N-RAFM鋼一樣形成有害的粗大的方形(Ti,V)(C,N)析出物，嚴(yán)重?fù)p害韌性。
　?。?）然后，我們分別采用Ta片、Ti片對(duì)ODS鋼進(jìn)行了層狀增韌研究。結(jié)果表明：Ta增韌層的存在能顯著提高ODS鋼的強(qiáng)

5、度和塑性，0.2N-ODS/Ta的強(qiáng)度和塑性高達(dá)1390MPa、13.6%。雖然ODS鋼基體與Ta增韌層的強(qiáng)界面限制了Ta增韌層的塑性變形以及界面開裂，但層狀體系提高了層狀復(fù)合材料的缺陷抗性，延緩了 ODS基體的斷裂失效。同時(shí)，裂紋在Ta內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，Ta的開裂和拔出，以及Ta的微量塑形變形都會(huì)消耗能量，改善強(qiáng)韌性。
　　對(duì)于ODS/Ti層狀復(fù)合材料，只有N含量較高時(shí)，才具有很好的強(qiáng)韌化效果，例如0.5N-ODS/Ti強(qiáng)度和塑性高達(dá)2

6、300MPa、13.5%。這是因?yàn)榻缑嫣幮纬闪诉B續(xù)的Ti(C, N)層，抑制了界面處元素的相互擴(kuò)散，避免了Ti層及界面的脆化。此外，Ti(C, N)本身具有高的強(qiáng)度，再結(jié)合Ti層的高塑性，這種層狀體系也使強(qiáng)韌性提高。
　　對(duì)比ODS鋼的幾種強(qiáng)韌化方法，即基體N元素、Ta層、Ti層的強(qiáng)韌化以及它們的復(fù)合強(qiáng)韌化，我們發(fā)現(xiàn)，層狀強(qiáng)韌化的效果比基體N元素的強(qiáng)韌化效果更好。無(wú)論N元素含量多少，ODS/Ta的強(qiáng)韌性均顯著優(yōu)于對(duì)應(yīng)的純ODS鋼。

7、對(duì)于Ti層，只有在N含量高時(shí)，比如0.5%N時(shí)才會(huì)產(chǎn)生很好的強(qiáng)韌化效果?？傮w而言，從增韌效果和穩(wěn)定性來(lái)看，N-ODS/Ta層狀復(fù)合材料更滿足聚變堆結(jié)構(gòu)材料的使用要求。
　?。?）采用Ta片對(duì)W進(jìn)行了強(qiáng)韌化，并揭示了鉭鎢層厚比tTa/W對(duì)W（層片）/Ta（層片）層狀材料強(qiáng)韌化機(jī)制的影響。結(jié)果表明，W/Ta相對(duì)于W/W層狀復(fù)合材料展現(xiàn)出更優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，且復(fù)合材料的韌性隨著 tTa/W的增加而顯著增加，tTa/W為1和1.3時(shí)，W/

8、Ta的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度和應(yīng)變率分別高達(dá)681MPa-5.4%，638MPa-8.8%。W/W主要通過(guò)裂紋偏轉(zhuǎn)和W的塑性變形增韌。W/Ta中Ta的引入還能利用界面開裂、Ta的橋聯(lián)作用和塑性變形增韌。對(duì)W/Ta材料， tTa/W＜0.62時(shí)，W/Ta復(fù)合材料展現(xiàn)出宏觀單裂紋擴(kuò)展形式；tTa/W≥0.62時(shí)，復(fù)合材料展現(xiàn)出多重裂紋的擴(kuò)展形式。多重裂紋的形成分散了損傷，極大地增加了韌性。
　　（5）在W/Ta的基礎(chǔ)上開發(fā)出了具有良好高溫力學(xué)性

9、能的W/TiN/Ta體系層狀材料，并有望在 W層狀體系中同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻氘氚功能。tTa/W=1時(shí)， W/TiN/Ta和W/TiN(Ti)/Ta的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度和應(yīng)變率分別高達(dá)1200MPa-3.3%和1350MPa-3.5%，強(qiáng)度顯著高于W/Ta，應(yīng)變率減小。它們的最大拉伸強(qiáng)度分別為612MPa和635MPa；塑性在400℃-600℃達(dá)到最大，分別約為11%和12.5%，而且強(qiáng)度也均超過(guò)500MPa。這說(shuō)明界面處的Ti進(jìn)一步提高了W/TiN/