碳化鉭顆粒彌散強化鎢基材料的制備及性能研究.pdf

1、鎢基材料因為其具有高熔點、高熱導(dǎo)率、低氫同位素滯留、抗等離子體濺射等優(yōu)點，已成為聚變反應(yīng)堆的面向等離子體候選材料。但鎢材料本身的低溫脆性、輻照脆性以及再結(jié)晶脆化等缺點導(dǎo)致其性能在長時間服役過程中嚴重退化，引發(fā)失穩(wěn)事故。本文利用TaC納米顆粒彌散強化鎢合金，采用粉末冶金法制備W-TaC板材，通過調(diào)控材料的晶界組織，協(xié)同提高材料的強度、塑性以及熱穩(wěn)定性。發(fā)展并優(yōu)化了材料的制備工藝，為將來工程化應(yīng)用高穩(wěn)定性的塊狀鎢基材料提供新的思路與方法。<

2、br>　　首先，利用SPS燒結(jié)法制備高致密的W-TaC樣品，快速得到優(yōu)化組分，通過微結(jié)構(gòu)表征獲得第二相顆粒對材料的強化機理，研究發(fā)現(xiàn)TaC顆粒能有效細化晶粒;微量TaC能和粉體中雜質(zhì)O元素反應(yīng)得到Ta-C-O化合物，降低雜質(zhì)氧在晶界處偏聚，增強晶界結(jié)合力，使材料的低溫力學性能得以改善。SPS法制備的W-0.5wt.％TaC樣品表現(xiàn)出最優(yōu)的拉伸性能和熱導(dǎo)率:在600℃的拉伸強度為371MPa，延伸率為40.0％,室溫的熱導(dǎo)率達到135W/

3、m·K?；趦?yōu)化組分，利用軋制法制備了高致密的W-0.5wt.％TaC板材，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度在200～250℃之間，較SPS樣品降低了300℃，低溫力學性能有了大幅提升。在200℃的抗拉強度達到576MPa，250℃的抗拉強度為680MPa，斷裂延伸率約為12.2％。
　　在此基礎(chǔ)上，以控氧和細化晶粒為目標，改善優(yōu)化了材料的制備方法。采用氫氣氣氛下進行高能球磨，隨后對粉體進行熱壓燒結(jié)，通過熱軋和溫軋結(jié)合的軋制方法，最終制備出具有細晶

4、組織的W-0.5wt.％TaC板材。樣品的強度和韌性均得到提高，材料在200℃的抗拉強度達到982MPa，斷裂延伸率達到12.0％，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為200℃。在600℃下材料依舊保持較高的抗拉強度(572MPa)，延伸率為30.2％，力學性能較傳統(tǒng)方法制備的W-TaC板材有了明顯的進步，其原因在于優(yōu)化的制備工藝手段，獲得均勻彌散的第二相顆粒以及高密度的晶界組織，有效改善材料的力學和熱穩(wěn)定性能。
　　通過模擬聚變環(huán)境中的高熱負荷工作環(huán)

5、境，研究W-TaC材料再結(jié)晶前后的抗熱沖擊性能，探究第二相顆粒的添加對材料的抗熱沖擊影響。對W-1.0wt.％TaC板材（再結(jié)晶前后）進行100次的熱疲勞沖擊實驗，原始材料的開裂閾值為0.33-0.44GW/m2，再結(jié)晶樣品的開裂閾值為0.22-0.33GW/m2。結(jié)合原始與再結(jié)晶樣品的力學實驗，發(fā)現(xiàn)材料的強度/韌性越好，抵抗裂紋萌生以及吸收熱負荷的能量越強，材料的開裂閾值越高。通過退火實驗，得到W-1.0wt.％TaC板材再結(jié)晶激活能