新型316L-W復(fù)合材料的制備與組織表征及性能分析.pdf

1、受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)能是未來(lái)最有前途的能源之一。然而如何有效地利用這種聚變能，還有許多技術(shù)難題有待解決。聚變反應(yīng)堆第一壁材料的選擇和制備，正是其中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。鎢和奧氏體不銹鋼均是核聚變反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)第一壁材料的理想備選材料，其中W因其優(yōu)異的熱導(dǎo)率、低的熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)熱沖擊抗力、良好高溫強(qiáng)度、低濺射率、高濺射閾值和低氚滯留特性而被公認(rèn)為是面向高溫等離子體的最理想材料。然而，因其在低溫下的材料脆性，鎢必須由其它具有低溫韌性的結(jié)構(gòu)材料支撐才能有效

2、發(fā)揮作用。而奧氏體不銹鋼則是最為理想的第一壁結(jié)構(gòu)支撐材料之一。因此，鎢與不銹鋼的結(jié)合及材料制備自然成了第一壁材料研究中的一個(gè)重要課題。
　　目前，鎢與鋼的連接主要采用釬焊與固相擴(kuò)散焊。前者往往會(huì)因釬料過(guò)渡層的加入而影響接頭性能，后者則會(huì)因鎢與鋼之間的熱物理參數(shù)差異大而產(chǎn)生熱配錯(cuò)（熱應(yīng)力）。本文旨在以316L不銹鋼粉和鎢粉為原料，通過(guò)采用機(jī)械合金化（簡(jiǎn)稱MA）和放電等離子體燒結(jié)（簡(jiǎn)稱SPS）技術(shù)，制備出316L/W梯度功能復(fù)合材料（

3、FGM)；作為對(duì)比，還采用傳統(tǒng)熔鑄工藝制備316L/W金屬基復(fù)合材料（MMC），并做了相關(guān)測(cè)試和分析，以期為最終開(kāi)發(fā)和制備具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的第一壁材料積累一些理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　首先，將不同配比的316L/W粉體進(jìn)行機(jī)械混合或機(jī)械預(yù)合金化處理；其次，利用 SPS在1050℃*45.5MPa*3min的工藝下燒結(jié)出致密的梯度復(fù)合材料316L/316L-50W/W、在1050℃*45.5MPa*5min的工藝下燒結(jié)出致密的梯度復(fù)合材

4、料316L/316L-20W/316L-50W/316L-80W/W；在1550℃、分別保溫1min、3mins、5mins下，熔鑄制備316L/W顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料；最后，通過(guò)OM、XRD、SEM、EDS等測(cè)試手段，對(duì)球磨粉體和復(fù)合材料的微觀形貌、界面物相、元素成分、硬度和耐磨性進(jìn)行表征。結(jié)果表明:隨著球磨時(shí)間的增加，W顆粒逐漸細(xì)薄且光滑，部分 W顆粒碎屑聚集或鑲嵌在嚴(yán)重塑性變形的316L顆粒之上。在梯度材料316L/316L-50W/

5、W中，過(guò)渡層的硬度值處于316L與W的硬度值之間；短時(shí)球磨中間層的界面硬度呈平緩過(guò)渡，過(guò)長(zhǎng)時(shí)間球磨的中間層的界面出現(xiàn)硬度突變；適度的預(yù)合金工藝更有利于燒結(jié)完整、無(wú)孔隙和平緩過(guò)渡的梯度材料。
　　在梯度材料316L/316L-20W/316L-50W/316L-80W/W中，W顆粒與316L基體的界面出現(xiàn)灰色過(guò)渡（適配）層，其厚度隨粉體球磨時(shí)間增加而增寬，適配層主要含有Fe7W6, Fe3W3C和Fe2W等金屬間化合物。控制球磨預(yù)合

6、金化時(shí)間能獲得界面結(jié)合強(qiáng)度高、燒結(jié)缺陷少、性能梯度變化的復(fù)合材料。
　　對(duì)熔鑄316L/W復(fù)合材料的微觀表征發(fā)現(xiàn)，316L/W界面結(jié)合強(qiáng)度弱且孔隙較多；隨著高溫保溫時(shí)間的增加，硬脆相增多且偏聚嚴(yán)重。W顆粒增強(qiáng)相提高了316L基體的摩擦系數(shù)并改變了摩擦機(jī)制；但受固液界面顆粒推移和擴(kuò)散反應(yīng)影響，W顆粒發(fā)生著動(dòng)態(tài)溶解、擴(kuò)散和偏聚析出，難以獲得形狀規(guī)則完整的增強(qiáng)相。
　　相比熔鑄工藝，借助MA工藝的SPS燒結(jié)更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)316L/W