碳化物氧化物弥散强化钨基合金的制备及性能研究

碳化物/氧化物弥散强化钨基合金的制备及性能研究聚变堆第一壁材料面临高热场、热应力场及强辐照场等严苛的服役环境,其综合服役性能的优劣关系到聚变装置能否安全运行。钨及钨基材料具有高熔点、高的溅射阈值和高热导率等优点,而被认为是最有希望的面向等离子体第一壁材料。

但是长期限制钨材料应用的主要问题在于:钨存在低温脆性(DBTT～400℃)、再结晶脆化以及辐照脆化、高温强度差等不足。为此,本文采用粉末冶金方法,结合了晶界净化与强化、纳米第二相氧化物/碳化物弥散强化和微合金化的基本原理,来制备高强/韧钨合金。

并发展了一条系统、创新的制备路径:从"由下而上"的小试样制备到"由上而下"发展可工程化应用的大块W合金。"由下而上"的制备工艺具有高效的特点,例如放电等离子烧结技术(SPS)由于升温速率快、烧结时间短,能在相对低温、短时间制备高致密的细晶钨材料,适合组分优化和强韧化机理研究。

我们利用SPS优化、制备了W-0.2wt.%Zr-1.0wt.%Y2O3(WZY)和

W-0.5wt.%ZrC(WZC)合金。发现,纳米尺寸的 Y203或ZrC颗粒能钉扎晶界抑制钨晶粒长大;微量Zr或ZrC的添加,能吸收钨中杂质O元素,生成ZrOx或Zr-C-O,从而减小杂质O的偏聚,净化和强化晶界,最终改善钨材料的强度和韧性。

基于组分优化和钨合金强韧化机理,继而发展"由上而下"制备工艺,实现了可工程化应用大块W合金的制备。"由上而下"工艺是将传统烧结法制备的大块WZY和WZC合金坯料进行高温塑性变形,如高温旋锻、轧制,实现动态再结晶调控,达到进一步致密化和细晶化的目的。

轧制6.5 mm厚W-0.2wt.%Zr-1.0wt.%Y203(R-WZY)合金板材具有良好的拉伸

性能:韧脆转变温度(DBTT)为150℃;在150℃时展现出拉伸塑性,最大拉伸强度和延伸率分别为911 MPa和3.2%;并且当温度低于500℃时,其拉伸强度始终大于580 MPa。R-WZY良好的拉伸性能来源于特殊的微结构特征:细小的等轴亚晶、拉长的母晶和均匀弥散的纳米氧化物颗粒。

轧制8.5 mm厚W-0.5wt.%ZrC(R-WZC)合金板材兼顾了力学性能、抗热冲击性能和抗等离子辐照能力。其DBTT为100 ℃,室温抗弯强度为2.5 GPa;室温拉伸强度～991 MPa,延伸率～1.1%;500 ℃拉伸强度～582 MPa,延伸率高达～41%。

R-WZC能承受单次4.4MJ/m2(室温)瞬态热负荷冲击或100次(1 MJ/m2/

次,200℃)热疲劳冲击而不产生任何裂纹。R-WZC抗等离子体He+1(100eV)刻蚀能力明显优于其他合金材料。

其优异的综合性能来自界面的协同作用:稳定的小角晶界(细小的等轴亚晶)实现细晶强化,纳米ZrC与W之间的共格相界起到显著强化相界和晶界的作

用,ZrC吸收杂质0元素净化和强化钨晶界。本文发展的钨合金制备路线和多尺度微结构设计思想将为面向等离子体第一壁高性能钨基材料的发展提供有益指导。