论文部分内容阅读
核聚变能是能够彻底解决人类能源问题的终极能源,而材料问题是决定聚变能能否商业应用的关键。钨基合金具有高熔点、高强度、高热导率、低等离子溅射率以及低氢同位素滞留能力等优点,是应用在未来聚变堆中最具希望的面向等离子体材料。但是钨材料本身的一些缺点,如钨的室温脆性、再结晶脆性、高温强度差和辐照脆化等,限制了钨在聚变堆中的应用。为了改善钨材料的这些缺点,本文采用粉末冶金方法,结合多尺度界面协同作用和第二相弥散强化的机理,制备了高力学性能的W-HfC合金,并且对样品抗热冲击性能进行了表征。首先,我们通过放电等离子体烧结(SPS)制备高致密的W-HfC小样品来优化HfC含量。发现当HfC添加量为0.5wt.%时,钨合金的性能最优。W-0.5wt.%HfC(WHC05)样品在500℃拉伸条件下,抗拉强度为442 MPa,延伸率为21.9%。相比纯钨(在700℃才会出现韧性变形),HfC的添加明显降低了钨的韧脆转变温度。部分HfC颗粒能够吸收钨基体中的杂质氧,在烧结过程中形成Hf-C-O或HfO2化合物,在一定程度上降低了基体中游离杂质氧的浓度,使得钨晶界的结合力增强,从而提高材料的力学性能。在优化钨基合金HfC含量的基础上,通过粉末冶金结合高温旋锻制备了高致密的W-0.5%HfC合金棒材。旋锻后的W-0.5%HfC合金的韧脆转变温度为250℃。在250℃时,棒材的抗拉强度和延伸率分别为800 MPa和4.1%。旋锻的WHC05晶粒具有明显的棒状形貌,其平均晶粒尺寸宽度为24.5μm,长度为187μm。在1200℃退火后的旋锻WHC05合金在800℃的极限抗拉强度为300 MPa,这表明极限拉伸强度在测试温度范围内没有显著下降。1200℃退火后的旋锻WHC05室温导热系数高达174 W/m·K,在室温到500℃范围内始终大于137 W/m·K,远远高于未退火的WHC05,与ITER级纯W相同。为了进一步优化性能,我们采用常规烧结和多步热轧法制备了 WHC05合金。轧制WHC05合金的再结晶温度(1400℃～1500℃)比原报道的轧制纯W(1200℃)和轧制W-0.5wt%ZrC(WZC05～1300℃)合金分别高出300～200℃。此外,再结晶后(1600℃退火),WHC05合金保持较高的抗拉强度～300MPa,在500℃时的总延伸率(>35%)是再结晶WZC05的1.6倍。优异的热稳定性和良好的高温力学性能可以归结于轧制所形成特有的微观组织如长条形母晶和纳米级等轴亚晶以及弥散第二相颗粒碳化铪的强化作用。测试了钨合金的抗热冲击性能和抗氘离子辐照性能。轧制WHC05合金的开裂阈值为330 MW/m2～440 MW/m2,而在低于330 MW/m2时,材料几乎没有损伤。轧制WHC05合金的抗氘辐照性能明显优于纯钨。在氘离子辐照后,样品的开裂阈值降低到220 MW/m2～330 MW/m2。通过热脱附谱法(TDS)测得的WHC05样品中氘滞留量要远小于纯钨。本论文通过不断优化钨基材料的制备方法和加工工艺,结合界面协同作用和第二相弥散强化的机理来为制备高性能大块的钨合金提供了可行思路,为未来钨基材料实际应用到聚变堆中提供了有益指导。