湿化学法制备稀土氧化物复合掺杂超细钨基复合材料及性能研究

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钨(W)作为面向等离子的第一壁材料时,具有低Z材料难以企及的优势,如:高熔点、高强度、优异的抗溅射能力等。但钨本身存在各种脆性问题,必须对其进行改性,通常在钨中引入单一第二相;这虽在一定程度上细化晶粒尺寸提高钨材料的力学等性能,但也存在第二相颗粒与基体结合性低,第二相尺寸偏大等缺点。为进一步提高钨材料性能,本文采用湿化学法制备稀土Y3+、La3+掺杂复合前驱体粉,通过调节Y3+、La3+掺杂比例,还原后获得亚微米级钨基复合粉体。随后,对性能最好成分粉体进行放电等离子烧结,探究烧结温度和压力对烧结体致密化过程、显微组织与性能的影响。最后,对W-Y2O3-La2O3复合材料进行氦离子辐照和激光热冲击实验,探究致密度对样品抗辐照和激光热冲击性能影响。主要结论如下:(1)湿化学法结合氢气还原制备W-Y2O3-La2O3复合粉体均匀细小,粒径均为亚微米级;第二相Y2O3、La2O3在W颗粒上分布均匀。Y、La部分固溶,固溶La能使Y2O3晶格膨胀,使其与钨的晶格参数更加匹配,优化晶内Y2O3与钨基体的结合。随着La含量增加,烧结体晶粒尺寸先减小后增大;显微硬度和相对密度先增大后减小。其中,成分为W-0.25 wt.%(90 at.%Y2O3+10 at.%La2O3)的块体性能最好,平均晶粒尺寸为3.15μm,相对密度在99%以上,显微硬度为492 HV0.2。第二相尺寸在50 nm左右,W(110)晶面与Y-La-O(222)晶面形成近似半共格界面。(2)压力与温度对致密化的影响机制不同。温度通过影响原子扩散速率来影响致密化,压力通过影响粉体颗粒接触来促进烧结颈形成和长大。第二相弥散强化作用与烧结工艺密切相关。压力适中,既能保证粉体之间良好接触,又不至于使第二相在烧结低温段因团聚长大而降低细化晶粒作用;温度合适,既能保证原子足够的扩散速率,提高材料致密度,又不至于使晶粒过分长大。通过分析烧结曲线和烧结后块体晶粒尺寸、相对密度、显微硬度发现,单纯提高烧结压力或烧结温度均难以制备出细晶、高致密度、高硬度块体。实验所得最佳烧结工艺是:100℃/min的升温速度升至800℃,800℃保温5 min,同时使压力从初始14 MPa匀速升至75;随后,以100℃/min的升温速度升至1600℃并保温1 min,保温结束随炉冷却至室温。(3)压力为50 MPa样品由于存在大量孔洞及微米级第二相颗粒,孔洞及第二相颗粒的存在将增加氦离子与材料接触与捕获概率进而加剧材料损伤。压力为75MPa样品经辐照后表面损伤最轻微,应归因于材料高的致密度及由于纳米级第二相颗粒存在导致钨晶粒明显细化。压力为100样品经辐照后钨基体表面Fuzz不明显,但微米级第二相存在明显溅射现象。平均功率密度在0.36-0.72 GW/m~2区间内,平均功率密增大,不同样品表面均呈现损伤形貌逐渐加重趋势。相同功率密度下,对比不同烧结压力样品,75 MPa压力制备的样品显微结构最为优异其表现出的抵抗热冲击损伤能力更为优异。
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