湿化学法钨基复合材料制备与辐照损伤行为研究

发布时间：2018-06-20 17:40

本文选题：核聚变 + 活化预处理　；参考：《合肥工业大学》2017年博士论文

【摘要】：核聚变反应产生的聚变能是解决人类能源问题的重要潜在途径,随着对聚变堆的研究进展,材料问题逐渐成为一个现实难题,因为反应堆中的材料面临苛刻的工作环境。钨(W)具有熔点温度高、热膨胀系数低、热导特性好、氚滞留量低以及自溅射阀值高等一系列优点,公认为核聚变装置最具潜力的面对等离子体第一壁候选材料。但W存在低温脆性、再结晶脆性等问题,辐照产生的缺陷会使材料发生脆化,服役时间变短,使其在实际应用中受到限制。所以对钨的成分、结构和组织的设计来降低其脆性、减轻辐照损伤意义重大。本文研究了原始W粉活化预处理对烧结性能的影响,为探索研究改善W及W基合金烧结致密性提供新途径;采用湿化学法和放电等离子烧结技术制备出稀土氧化物弥散增强W基复合材料(W-Pr2O3、W-CeO2和W-Nd2O3)以及碳化物弥散增强W基复合材料(W-TiC和W-ZrC),研究了添加稀土氧化物和碳化物第二相颗粒对复合材料组织结构和性能的影响;探讨了氘离子、氦离子和铁离子对所制备的W基复合材料辐照损伤效应及氚滞留问题。主要结果如下:(1)通过氟化铵和氢氟酸混合液为活化液的常温超声波辅助活化处理,使W粉表面获得不同形状均匀分布的缺陷,增大了粉末的比表面积。1800 ℃和2200 ℃相同烧结工艺条件下,经过活化处理后W粉获得的样品比原始粉相对密度更高,组织更致密。因此,原始W粉要达到相同的烧结致密度,必须提高烧结温度。同时分别对W和TiC粉末进行表面活化预处理,通过粉末冶金方法制备W-1.5wt%TiC复合材料,相同烧结工艺条件下,经过活化处理后烧结粉获得的复合材料比原始粉相对密度提高7%,组织更致密;(2)采用湿化学法和SPS烧结技术制备了细晶高致密度稀土氧化物掺杂W基复合材料,氧化物颗粒(Pr2O3、CeO2和Nd2O3)均匀地分布在W晶粒和晶界处。W-1wt%Pr2O3 的致密度达到 98.3%,而 W-1wt%Nd2O3 和 W-1wt%CeO2 的致密度分别为96.5%和95.9%。第二相氧化物颗粒有效地阻止了烧结过程中W晶粒的长大,极大的细化了材料的晶粒尺寸,稀土氧化物掺杂钨复合材料的平均晶粒尺寸为4 μm,而纯W长大到10μm。复合材料的热导率都随温度的升高而降低,W-1wt%Pr203 在室温下的热导率高达 150 W/m-K,W·1wt%CeO2和 W-1wt%Nd2O3 在140W/m·K 左右;(3)通过湿化学法制备具有包覆结构的碳化物掺杂复合粉体,然后采用SPS烧结技术制备出了细晶高致密度的W-1wt%TiC复合材料,平均晶粒尺寸为3 μm,致密度达到98.6%,比W-1wt%ZrC的97.2%高,显微硬度值也更大。W-1wt%TiC复合材料的热扩散系数和热导率都随温度的升高而降低,W-1wt%TiC在室温下的热导率达到127 W/m·K,而W-1wt%ZrC室温热导率仅为110 W/m·K;(4)室温 keV 低剂量 1×1020D+/m2辐照下,W-1wt%Pr203、W-1wt%La2O3、W-1wt%TiC和W-1wt%ZrC和纯W表现相同,都没有缺陷产生。与纯W不同,当D+辐照剂量增加到1×1021D+/m2时,四种复合材料内部依然没有明显缺陷产生,说明了加入稀土氧化物和碳化物第二相提高了 W材料的抗氘离子辐照能力。5×1021D+/m2辐照后的四种材料经过不同温度等温退火,位错环体积密度都降低,800 ℃退火位错环都彻底消失。当室温5keVHe+辐照剂量达到5×1021He+/m2, W基体内形成大量的氦泡,而四种复合材料在600 ℃ He+辐照剂量达到5×1021He+/m2,基体内都没有形成氦泡,证明了向W中掺杂稀土氧化物和碳化物能提高聚变反应堆中W材料的抗He+辐照性能;(5)随着氘离子辐照剂量的增加,材料的氘滞留量都随着增加,但稀土氧化物和碳化物掺杂W材料的氘滞留量明显低于相同条件制备的纯钨,说明了稀土氧化物和碳化物掺杂降低了 W材料的氘滞留。经过He+预辐照,四种材料的氚滞留都增加,和未经过He+预辐照的样品相比,He+预辐照没有增加新的脱附峰,说明He+预辐照并没有引入新的缺陷类型。当氘离子辐照剂量超过1021D2+/m2后,He+预辐照产生的缺陷捕获氘达到饱和;(6)室温 1 dpa 1 MeVFe+辐照后 W-1wt%Pr203、W-1wt%La2O3 和 W-1wt%ZrC样品中都形成了位错网络,很多的小的位错环嵌入在位错网络中,而W-1wt%TiC样品中没有形成位错网络结构,仅分布大量细小的位错环,说明W-1wt%TiC具有很好的抗Fe+辐照损伤的能力。随着退火温度增加,平均位错环直径增加,位错环体积密度都降低;(7)经过Fe+预辐照稀土氧化物和碳化物掺杂W材料的TDS图镨都有高温峰(或肩膀)出现在高温700K到900K之间,而且在未经过Fe+预辐照的样品中没有出现,随着Fe+辐照剂量的增加,高温峰(或肩膀)位置越明显,说明了高温峰是由Fe+辐照产生的缺陷脱附氚造成的。和未经过Fe+辐照的样品相比,经过Fe+预辐照后,四种材料的氘滞留都有所增加,且随着Fe+辐照剂量的增加,氘滞留量也在增加。
[Abstract]:W - Pr2O3 , W - CeO2 and W - Nd2O3 were prepared by wet chemical method and spark plasma sintering . The thermal conductivity of W - 1 wt % TiC composite at room temperature is up to 150 W / m - K , W - 1 wt % CeO2 and W - 1 wt % Nd2O3 have no obvious defects . The dislocation networks are formed in W - 1 wt % Pr203 , W - 1 wt % La2O3 and W - 1 wt % ZrC samples .
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB333

【参考文献】