碳化物-氧化物彌散強(qiáng)化鎢基合金的制備及性能研究.pdf

1、聚變堆第一壁材料面臨高熱場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)及強(qiáng)輻照?qǐng)龅葒?yán)苛的服役環(huán)境，其綜合服役性能的優(yōu)劣關(guān)系到聚變裝置能否安全運(yùn)行。鎢及鎢基材料具有高熔點(diǎn)、高的濺射閾值和高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，而被認(rèn)為是最有希望的面向等離子體第一壁材料。但是長(zhǎng)期限制鎢材料應(yīng)用的主要問題在于:鎢存在低溫脆性(DBTT～400℃)、再結(jié)晶脆化以及輻照脆化、高溫強(qiáng)度差等不足。為此，本文采用粉末冶金方法，結(jié)合了晶界凈化與強(qiáng)化、納米第二相氧化物/碳化物彌散強(qiáng)化和微合金化的基本原理，來制備高

2、強(qiáng)/韌鎢合金。并發(fā)展了一條系統(tǒng)、創(chuàng)新的制備路徑:從“由下而上”的小試樣制備到“由上而下”發(fā)展可工程化應(yīng)用的大塊W合金。
　　“由下而上”的制備工藝具有高效的特點(diǎn)，例如放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)由于升溫速率快、燒結(jié)時(shí)間短，能在相對(duì)低溫、短時(shí)間制備高致密的細(xì)晶鎢材料，適合組分優(yōu)化和強(qiáng)韌化機(jī)理研究。我們利用SPS優(yōu)化、制備了W-0.2wt.％Zr-1.0wt.％Y2O3(WZY)和W-0.5wt.％ZrC(WZC)合金。發(fā)現(xiàn)，納米尺寸

3、的Y2O3或ZrC顆粒能釘扎晶界抑制鎢晶粒長(zhǎng)大;微量Zr或ZrC的添加，能吸收鎢中雜質(zhì)O元素，生成ZrOx或Zr-C-O，從而減小雜質(zhì)O的偏聚，凈化和強(qiáng)化晶界，最終改善鎢材料的強(qiáng)度和韌性。
　　基于組分優(yōu)化和鎢合金強(qiáng)韌化機(jī)理，繼而發(fā)展“由上而下”制備工藝，實(shí)現(xiàn)了可工程化應(yīng)用大塊W合金的制備。“由上而下”工藝是將傳統(tǒng)燒結(jié)法制備的大塊WZY和WZC合金坯料進(jìn)行高溫塑性變形，如高溫旋鍛、軋制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶調(diào)控，達(dá)到進(jìn)一步致密化和細(xì)晶化

4、的目的。
　　軋制6.5 mm厚W-0.2wt.％Zr-1.0wt.％Y2O3(R-WZY)合金板材具有良好的拉伸性能:韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)為150℃;在150℃時(shí)展現(xiàn)出拉伸塑性，最大拉伸強(qiáng)度和延伸率分別為911 MPa和3.2％;并且當(dāng)溫度低于500℃時(shí)，其拉伸強(qiáng)度始終大于580 MPa。R-WZY良好的拉伸性能來源于特殊的微結(jié)構(gòu)特征:細(xì)小的等軸亞晶、拉長(zhǎng)的母晶和均勻彌散的納米氧化物顆粒。
　　軋制8.5 mm厚W-0

5、.5wt.％ZrC(R-WZC)合金板材兼顧了力學(xué)性能、抗熱沖擊性能和抗等離子輻照能力。其DBTT為100℃，室溫抗彎強(qiáng)度為2.5 GPa;室溫拉伸強(qiáng)度～991 MPa，延伸率～1.1％;500℃拉伸強(qiáng)度～582 MPa，延伸率高達(dá)～41％。R-WZC能承受單次4.4 MJ/m2（室溫）瞬態(tài)熱負(fù)荷沖擊或100次(1MJ/m2/次，200℃)熱疲勞沖擊而不產(chǎn)生任何裂紋。R-WZC抗等離子體He+1(100 eV)刻蝕能力明顯優(yōu)于其他合金材