钨合金的塑性加工对组织和性能的影响研究

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核聚变能是解决未来人类能源需求的重要途径。制约核聚变应用的关键问题之一是面向等离子体材料(PFMs)的发展。PFMs在服役过程中会受到辐照和热流冲击。钨(W)材料以其高熔点,高热导率,优异的高温力学性能和低氘/氚滞留等特点被认为是PFMs的最主要候选材料。但是,钨材料的严重脆性限制了其在核聚变堆中的真正应用。现已证明塑性变形和第二相掺杂可以改善钨材料的脆性。另外,抗瞬态热流载荷性能和抗粒子辐照性能也决定着PFM能否满足核聚变装置应用要求。因为钨晶粒的抗粒子辐照性能与其晶体取向有关,所以通过调节钨材料的织构特点可以改善其抗粒子辐照性能。因此本文通过塑性变形工艺制备了纯钨(PW),氧化镧弥散钨(W-1.0wt%La2O3,简称WL10)和钾泡弥散钨(W-K),研究其微观组织、织构化程度、力学性能尤其是强度、韧脆转变温度(Ductile-Brittle Transition Temperature,简称DBTT)和热导率等指标,并评价其抗瞬态热流载荷性能和织构特点。首先,通过单向轧制工艺制备了不同变形量的纯钨、镧钨材料。对于纯钨材料而言,与其他轧制变形量相比较,60%轧制变形量样品具有最高的抗弯强度(1068 MPa)、最低的DBTT(823-873 K)、最高的热导率(176.5 W/mK)和最高的夏比冲击功。对于镧钨而言,与其他轧制变形量相比较,52%轧制变形量样品具有较高的抗弯强度(1312 MPa)、最低的DBTT(723-773 K)、较高的热导率(140.1 W/mK)和最高的夏比冲击功。所以纯钨、镧钨材料的最优轧制变形量分别为60%和52%。中间变形量样品不仅具有晶粒细化效应、亚结构韧化效应而且避免了由织构化程度高和显微裂纹诱发的脆断。此外,我们选择“旋锻+轧制”新工艺制备了钾钨材料,并将其与60%轧制变形量纯钨、52%轧制变形量镧钨作比较。结果表明纤维化程度(纤维结构的长径比)、织构化程度(主要织构的体积占有率)、显微裂纹、动态再结晶和第二相是影响钨基材料强韧性的主要因素。“旋锻+轧制”钾钨具有最低的抗弯强度(856MPa)和最高的DBTT(923 K),这主要是由其样品中存在的显微裂纹导致的。52%轧制变形量镧钨具有最高的强度(1312 MPa)、最低的DBTT(723-773)和最高的夏比冲击功,这主要是由于其样品中显微裂纹较少,同时具有较多的动态再结晶晶粒以及La203颗粒对位错和晶界的钉扎作用。相比之下,60%轧制变形量纯钨具有居中的强度(1068 MPa)和DBTT(823-873 K)。另外,与60%轧制变形量纯钨相比较,“旋锻+轧制”钾钨的夏比冲击功更高,这是因为钾钨样品中存在钾泡对位错的钉扎效应和可能的湮灭效应。然后,通过EMS-60装置对60%轧制变形量纯钨,52%轧制变形量镧钨、“旋锻+轧制”钾钨的抗瞬态电子束热冲击和抗瞬态电子束热疲劳性能进行评价。结果表明,对于60%轧制变形量纯钨而言,其裂纹阈值介于0.22-0.44GW/m2之间,熔化阈值和再结晶阈值均高于1.1 GW/m2。对于52%轧制变形量镧钨而言,其裂纹阈值低于0.22 GW/m2,熔化阈值介于0.66-0.88 GW/m2之间,再结晶阈值高于1.1 GW/m2。对于“旋锻+轧制”钾钨而言,其裂纹阈值介于0.44-0.66 GW/m2之间,熔化阈值高于1.1 GW/m2,再结晶阈值介于0.44-0.66 GW/m2之间。在抗瞬态电子束热疲劳性能方面,60%轧制变形量纯钨经过1000次、0.24 GW/m2热疲劳后表面出现裂纹,52%轧制变形量镧钨经过100次、0.17 GW/m2热疲劳后表面出现裂纹,“旋锻+轧制”钾钨经过1000次、0.44 GW/m2热疲劳后表面无裂纹而仅出现表面粗糙化和再结晶现象。钾泡对位错的钉扎效应和可能的湮灭效应是“旋锻+轧制”钾钨具有最好的抗瞬态热流载荷性能的主要原因。基体的低热导率和La203颗粒的分解,熔化是52%轧制变形量镧钨具有最差的抗瞬态热流载荷性能的主要原因。最后,我们第一次系统地研究了轧制方式、轧制变形量、弥散La203和再结晶退火对钨基材料的织构特点影响。结果表明,1)与交叉轧制和周向轧制纯钨相比较,单向轧制纯钨具有较强的{100}面织构和较弱的{111}面织构。2)热轧过程中的动态回复和动态再结晶是影响钨基材料织构变化的主要因素。动态回复导致72%、80%轧制变形量纯钨和43%、57%、72%轧制变形量镧钨的{001}<110>织构增强;动态再结晶导致80%轧制变形量纯钨和72%轧制变形量镧钨的{001}<100>织构增强。3)再结晶退火导致单向轧制、周向轧制纯钨的{100}面织构体积分数升高并且导致交叉轧制、周向轧制纯钨的{111)面织构体积分数降低。
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