碳化鉭顆粒彌散強化鎢基材料的制備及性能研究.pdf

1、鎢基材料因為其具有高熔點、高熱導率、低氫同位素滯留、抗等離子體濺射等優(yōu)點，已成為聚變反應堆的面向等離子體候選材料。但鎢材料本身的低溫脆性、輻照脆性以及再結晶脆化等缺點導致其性能在長時間服役過程中嚴重退化，引發(fā)失穩(wěn)事故。本文利用TaC納米顆粒彌散強化鎢合金，采用粉末冶金法制備W-TaC板材，通過調控材料的晶界組織，協(xié)同提高材料的強度、塑性以及熱穩(wěn)定性。發(fā)展并優(yōu)化了材料的制備工藝，為將來工程化應用高穩(wěn)定性的塊狀鎢基材料提供新的思路與方法。<

2、br>　　首先，利用SPS燒結法制備高致密的W-TaC樣品，快速得到優(yōu)化組分，通過微結構表征獲得第二相顆粒對材料的強化機理，研究發(fā)現(xiàn)TaC顆粒能有效細化晶粒;微量TaC能和粉體中雜質O元素反應得到Ta-C-O化合物，降低雜質氧在晶界處偏聚，增強晶界結合力，使材料的低溫力學性能得以改善。SPS法制備的W-0.5wt.％TaC樣品表現(xiàn)出最優(yōu)的拉伸性能和熱導率:在600℃的拉伸強度為371MPa，延伸率為40.0％,室溫的熱導率達到135W/

3、m·K。基于優(yōu)化組分，利用軋制法制備了高致密的W-0.5wt.％TaC板材，其韌脆轉變溫度在200～250℃之間，較SPS樣品降低了300℃，低溫力學性能有了大幅提升。在200℃的抗拉強度達到576MPa，250℃的抗拉強度為680MPa，斷裂延伸率約為12.2％。
　　在此基礎上，以控氧和細化晶粒為目標，改善優(yōu)化了材料的制備方法。采用氫氣氣氛下進行高能球磨，隨后對粉體進行熱壓燒結，通過熱軋和溫軋結合的軋制方法，最終制備出具有細晶

4、組織的W-0.5wt.％TaC板材。樣品的強度和韌性均得到提高，材料在200℃的抗拉強度達到982MPa，斷裂延伸率達到12.0％，韌脆轉變溫度為200℃。在600℃下材料依舊保持較高的抗拉強度(572MPa)，延伸率為30.2％，力學性能較傳統(tǒng)方法制備的W-TaC板材有了明顯的進步，其原因在于優(yōu)化的制備工藝手段，獲得均勻彌散的第二相顆粒以及高密度的晶界組織，有效改善材料的力學和熱穩(wěn)定性能。
　　通過模擬聚變環(huán)境中的高熱負荷工作環(huán)

5、境，研究W-TaC材料再結晶前后的抗熱沖擊性能，探究第二相顆粒的添加對材料的抗熱沖擊影響。對W-1.0wt.％TaC板材（再結晶前后）進行100次的熱疲勞沖擊實驗，原始材料的開裂閾值為0.33-0.44GW/m2，再結晶樣品的開裂閾值為0.22-0.33GW/m2。結合原始與再結晶樣品的力學實驗，發(fā)現(xiàn)材料的強度/韌性越好，抵抗裂紋萌生以及吸收熱負荷的能量越強，材料的開裂閾值越高。通過退火實驗，得到W-1.0wt.％TaC板材再結晶激活能