湿化学法W-Re合金制备及其性能研究

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金属W作为未来最有前景的面向等离子体材料,具有高熔点、高导热性、低氘滞留量、低溅射产额等优点,但也存在低温脆性、较高的韧脆转变温度、辐照损伤等缺点。添加少量合金化元素Re能提高W基材料的低温塑性、高温强度和再结晶温度。再向W-Re合金中添加第二相ZrO2颗粒能有效钉扎位错,两者协同作用能提高W基材料的机械性能、抗辐照损伤和抗热冲击损伤能力。本文通过湿化学法结合氢气还原制备出W-x Re(x=3,5,10)还原粉体,再分别通过热压烧结和放电等离子烧结制备W-Re合金,探究在不同烧结工艺下,烧结温度、压力对样品致密化过程的影响,确定最佳烧结工艺和样品成分。在此基础上,探究掺杂ZrO2对W-Re合金的显微组织、抗辐照损伤和抗激光热冲击损伤能力的影响。主要研究结果如下:(1)通过湿化学法结合氢气还原制备W-x Re(x=3,5,10)粉体,在还原温度为1000℃,保温时间为3 h,氢气流速为0.7 L/min时,可制得超细纳米粉体,其粒径在250 nm-400 nm之间,且随着Re含量的增加,粉体粒径逐渐变小,W-10Re粉末粒径约为250 nm,较W-3Re粉体粒径降低约36%,粉体细小且均匀分布。(2)采用热压烧结制备W-x Re(x=3,5,10)合金,在烧结温度分别为1800℃和2000℃,压强70 MPa的烧结参数下晶粒长大严重。而采用放电等离子烧结时,在1600℃/100 MPa下制得W-10Re合金具有明显细化的晶粒尺寸(5.8μm)和增加的致密度(98.4%),这表明采用放电等离子体烧结可以实现W-Re合金的低温致密化。(3)为进一步提升W-10Re合金性能,在其中添加第二相ZrO2颗粒。制得材料平均晶粒尺寸约为1.4μm,显微硬度为453.7 HV0.2,相对密度为98.8%。因此第二相掺杂对W-Re晶粒尺寸的细化作用以及对致密度的提升作用显著改善了其显微硬度。对W-10Re和W-10Re-0.5ZrO2合金在He离子辐照和激光热冲击后的表面损伤形貌观察及粗糙度数值统计分析,结果表明掺杂ZrO2的合金表现出更佳的抗辐照损伤及抗热冲击性能。
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