稀土Lu改性面向等离子体钨基材料制备与性能研究

发布时间：2020-04-26 05:09

【摘要】：钨(W)及其合金因其优异的性能被选为最有应用前景的面向等离子体候选材料,然而钨及其合金存在低温脆性、韧脆转变温度高和辐照脆化等问题。本研究采用机械球磨结合放电等离子体烧结技术(SPS)制备稀土改性的W基复合材料,研究了稀土Lu添加量对钨基复合材料组织结构和性能影响;研究了W-Lu复合材料的抗瞬态激光束热冲击性能和抗氘滞留性能。主要研究结果如下:(1)W-Lu复合材料的相对密度随Lu含量的增加而先增加后略微降低,复合材料的显微硬度显著提高。W-Lu样品晶粒尺寸细化效果显著,由纯W的10μm减少至2-3μm。W-Lu复合材料中的第二相均匀地分布于W晶界处,起到细化晶粒和弥散强化的效果。W-Lu复合材料的断裂方式由纯W的沿晶断裂转变为沿晶-穿晶混合型断裂。(2)高能瞬态激光冲击后,材料表面产生了裂纹、孔洞、溅射、氧化物、烧蚀、熔化及再结晶等缺陷和特征。W-2%Lu和W-5%Lu样品的损伤程度较低。低熔点第二相的熔化有利于吸收冲击中心区域的高能量从而保护基体,减小W的损伤程度,但易产生溅射。Lu含量过多造成性能下降,W-10%Lu损伤程度较大,仅次于纯W。适量Lu的添加显著改善了W的抗热冲击性能,提高了W在热负荷下的开裂阈值和熔化阈值。(3)适量Lu元素掺杂有利于提高W基材料的抗氘滞留性能。W中的D滞留量随着Lu含量的增加先降低后增加。W-5%Lu样品的D滞留量最低。He离子辐照使材料内部产生新的D捕获缺陷类型,显著增加了W-5%Lu样品的氘滞留量。高能量的重Fe离子辐照使得W中位错密度增加,显著提高了W中的D滞留量。
【图文】：

断裂韧性,材料弯曲,弯曲强度,变化情况

W-Re 合金由于其良好的韧性受到广泛研究。Re 可以改变位错中心的对称性，降低位错滑移的阻力，增加滑移面的数量，从而能够促进塑性变形，显著改善 W 的塑韧性[16, 17]。另外，Re 有助于降低 W 材料的 DBTT，并且提高 W 的RCT[18, 19]，扩大 W 在聚变堆环境中的实际应用工作温度区间，使得反应更加安全。在改善 W 的辐照性能方面，少量的 Re 可以显著降低 W 中的 D 滞留量[20]，但在中子辐照下 W-Re 合金容易析出脆性相，严重降低材料的性能[21, 22]。此外，Re 会显著降低 W 的热导率[23]，这些不足使得 W-Re 合金在聚变堆材料方面的应用受到限制。AGUIRRE 等[24-26]采用粉末冶金技术制备了多元掺杂的 W-Ti-Y2O3合金，在不同温度下（25~1000 ℃）测试和对比了 W 材料的强度和韧性。结果发现，T<600 ℃时，Ti 的加入有助于显著提高 W 材料的强度、硬度和韧性；T>600 ℃时，W 材料的韧性则显著降低，如图 1.1 所示。T<600 ℃时，相比于 W-Ti-Y2O3样品，W-Ti 合金具有更高的强度和韧性；T>600 ℃时，氧化的发生会使 W-Ti 的性能显著降低。相比于 W-Ti 合金，W-Ti-Y2O3合金内部孔隙较多，其晶间结合力较弱，因此造成强度和韧性下降，脆性增加。

合金相,密度,界面拉伸强度

作用在 25 mm×25 mm 的表面区域，作用时带来的温度低于材料 RCT 时，TiC 的加入显著提高当温度高于 RCT 时，TiC 对 W 抗热负荷性能的改使得 W 导热能力下降，不利于进一步提高 W 的热 W 基材料还具有良好的抗辐照性能。通过机械合W-0.5TiC 复合材料在中子辐照下几乎没有发生硬化保持表面结构的完好性，未出现起泡等现象[40, 41]。向纯 W 中添加了 ZrC 颗粒，研究了 ZrC 对 W 材料量的 ZrC 能够显著增加 W 的相对密度，ZrC 含量变，，如图 1.2 所示；ZrC 含量低于 3%时，W 的拉含量过多时易造成 W 晶界处的 ZrC 团聚，降低界面拉伸强度降低，如图 1.3 所示。W 的晶粒尺寸随烧结的过程中 ZrC 与 W 基体之间形成了细小的(ZrC 的加入，W 材料的断裂方式由沿晶断裂转变为
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL627;TB33

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