TiC弥散强化钨合金的沉淀包覆法制备及其性能研究

发布时间：2017-12-16 03:02

  本文关键词：TiC弥散强化钨合金的沉淀包覆法制备及其性能研究

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【摘要】：第一壁面向等离子体材料是成功实现聚变堆商业运行的关键,因此得到了广泛的关注。在面向等离子材料的候选材料中,由于钨具有优异的热性能和物理性能,成为了面向等离子体的最主要候选材料。但是,同时钨具有韧脆转变温度(DBTT)高、再结晶温度低以及辐照脆化等缺点,这限制了其应用。大量研究证明,通过引入TiC颗粒对钨进行弥散强化是改善以上问题的有效途径。但是目前的研究发现,采用机械合金化制备W-TiC合金容易引入杂质元素且TiC颗粒容易在钨晶界聚集长大。为了改善这些问题,并提高TiC在钨合金中的分散性,本论文采用沉淀包覆法制备TiC颗粒弥散强化钨合金。系统研究了化学沉淀过程、粉末还原制度、TiC的加入量对粉末的特性以及烧结块体的显微组织、力学性能和热导性能的影响。通过塑性加工改善钨合金的性能,研究了加工变形量对钨合金的强度、韧性及DBTT的影响规律。对所制备的W-TiC合金的抗氘(D)等离子和氦(He)离子辐照性能进行了评价。主要研究内容和主要结论包括:1.通过在偏钨酸铵(AMT)溶液中添加1wt.%的聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)并超声分散30min获得了具有良好分散性的TiC颗粒悬浮液,放置20h后TiC颗粒未发生明显沉降;通过沉淀包覆法得到了具有核壳结构的W-TiC前驱体粉末,TiC颗粒被均匀包覆在粉末颗粒中;经氢气还原后的粉末具有假晶结构,并且粉末仍保持着核壳结构;沉淀包覆形成核壳结构的机理主要是通过钨酸沉淀以异质成核作用在分散良好的TiC颗粒表面形核和长大而形成。2.在TiC悬浮液中加入1%PVP能显著提高TiC颗粒在烧结态W-0.1TiC合金中的分散性,TiC颗粒几乎全部均匀弥散分布于钨晶粒内部,TiC的平均颗粒尺寸与原始的TiC颗粒尺寸相近,而未使用PVP的W-0.1TiC合金中TiC颗粒尺寸较大并且分布不均匀。添加PVP后制得的W-TiC合金的抗弯强度值相比于未添加PVP的W-TiC合金有显著提高。3.采用沉淀包覆法制备了 W-(0-0.9)wt.%TiC材料,研究结果表明:随着TiC含量的增加,W-TiC合金的晶粒尺寸逐渐减小,TiC颗粒的平均尺寸逐渐增大;其中W-0.5TiC合金的抗弯强度达到了最大值(1065.72MPa);随着TiC含量的增加,W-TiC合金的热传导性能逐渐降低,当TiC含量从0.1%增加至0.5%时,热传导率缓慢降低,而TiC含量超过0.5%后,W-TiC合金的热扩散率和热导率都大幅度降低。另外,采用球磨法制备了 W-0.5TiC合金,其显微组织中TiC颗粒发生了明显的长大,且TiC颗粒主要在钨晶界分布,其相比于沉淀包覆法制备的W-0.5TiC合金也具有较低的力学性能和热传导性能。4.采用中频感应烧结法和塑性变形加工得到了具有不同变形量(65%和83%)的商业纯钨和W-TiC合金,研究表明,W-TiC合金中的TiC颗粒随着变形量的增大而沿着轧制方向被显著拉长,这些被拉长的颗粒主要分布于钨晶粒内部。W-TiC合金随着变形量的增大晶粒发生了细化,83%变形量的W-TiC合金得到了最高的抗弯强度(1260.3MPa),具有最好的拉伸韧性和夏比冲击性能,通过高温拉伸测试得到的DBTT300℃,通过夏比冲击试验得到的DBTT约为450℃,相比于同等变形量的纯钨材料和较低变形量的W-TiC合金降低了约200℃。W-TiC合金的强韧化机理是由加工强韧化、晶粒细化效应和TiC颗粒弥散强韧化共同作用。5.研究了通过沉淀包覆法制备的W-TiC合金的抗D等离子体辐照和He离子辐照性能,研究结果显示:由于添加TiC颗粒能够细化钨晶粒的尺寸和增加材料的致密度,因此所制备的W-TiC合金相比于纯钨具有显著更高的抗D等离子体辐照性能,并且随着样品中TiC含量从0.1%增加到0.5%,样品表面受D等离子体损伤程度逐渐减弱;此外,具有83%加工变形量的W-TiC合金相比于具有65%加工变形量的W-TiC合金具有更高的抗D等离子体和氦离子辐照性能。6.通过沉淀包覆法成功制备了氧化物和氮化物颗粒弥散强化钨合金,研究结果显示:Y2O3、La2O3和A1N纳米颗粒都可以通过沉淀包覆法掺杂到钨合金中而形成核壳结构粉末;W-0.35%A1N合金具有最细小的平均晶粒尺寸(2.1μm)和平均弥散颗粒尺寸(1OOnnm),其组织中弥散颗粒均匀分布于钨基体中,并且其中大部分颗粒都分布于钨晶粒内部,导致其具有最高的力学性能和最佳的热传导性能,但是A1N在制备过程中形成了 A1203-A1N复合颗粒。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB333;TL627

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本文编号：1294414