面向等离子体钨基材料的增韧研究最新进展

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t/)2016年第8期（47)卷文章编号：1001—9731(2016)08-08064-04

面向等离子体钨基材料的增韧研究最新进展

何培，姚伟志，吕建明，张向东

(中f t工程物理研究院材料研究所，四川绵阳621908)

摘要：钨及钨基材料由于其高熔点、高热导率、低蒸气压、低溅射产额及低辐照放射性等优异性能，成为具有 广阔应用前景的面向等离子体材料。然而，钨基材料的本征脆性成为其作为聚变材料的主要限制因素，也成为国 际聚变材料界的研究热点9本文综述了通过合金化、弥散强化以及复合材料等3种途径来增加钨基材料軔性的 最新研究进展。目前合金元素中只有铼的添加能够显著改善钨的韧性；单一弥散强化方式难以有效提高钨的韧 性，适当的热机械加工能够明显降低钨基材料的韧脆转变温度；通过钨箔钎焊制备出的钨层压结构复合材料的韧 脆转变温度降低到了 150 °C9

关键词：钨基材料；增韧；合金化；弥散强化；复合化

中图分类号：T G146.4+11 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.010

〇引言

核能的发现和应用是20世纪最伟大的科技成就 之一，其中受控热核聚变能是公认的可以有效解决未 来能源需求的主要途径。从工程角度来看，能否开发 出具有优异力学性能、耐热、耐辐照的材料将是决定聚 变能能否开发成功的关键因素。在聚变材料中，服役 条件最为苛刻的一类材料是面向等离子材料（plasma facing m aterials，P F M s)，即在核聚变反应繫置.中愈 接面向等离子的第一壁(first w a ll,F W)和偏滤器（di­verto r)的装 甲材料 （armor m aterials)。崔未来的7K范 聚变堆中（dem onstration fusion reacto r，D E M O)，在 正常操作条件下，第一壁材料和偏滤器所面对的热载 荷将分别达到2 M W/m2和10〜20 M W/m2,并且二 者都将承受严酷的快屮/•辐照。严苛的工况条件要求 面向等离子材料必须具有高熔点、高热导率、高抗热冲 击性以及低蒸气压、低溅射产额（高獬射阈值)及低辐 照放射性等性质w。

鹤是具.丨有体心立方结构（body centered cu b ic, B C C)的难熔金属，具有高熔点（3 410 t：)、低蒸气压 (在熔点温度为1.3X1CT7Pa)以及高的热导率（室温

145 W/m K，并不随温度的升高而降低）。由于优异的 热性能，钨及其合金成为面向等离子体部件的装甲材 料。然而纯钨具有韧脆转变温度（D uctile-to-brittle transition tem perature，D B T T)霄、.再结晶温度低、加工变形性差等缺点。钨基材料在室温下的延伸率几乎 为零。纯钨以及W L10(W-l K L a203)的D B T T区间 分别在100〜400 以及200〜650 °C。而且强烈的中子辐照会使钨基材料发生辐照硬化和脆化，从而使D B T T进一步提翕[23|

因此，增加钨基材料的塑韧性、降低其韧脆转变温 度是实现其工程应用的关键问题，已经成为国际聚变 材料界研究的一个焦点。g前主要的增韧途径有合金 化、弥散强化和复合化。本文将於爪介绍丨:述3种增 韧方法的最新研究进展。

1 合金化（Alloying)

少数金属在窜温下在钨中有较大的溶解度，包括 T a、V、N b、M o、T i和R e。T a、V、N b、Mo 能够与钨形 成完全固溶体，而T i和R e在钨中只有部分的固溶度。由f=N b和M o经过辐照之后具有较强的放射性，所以 不适合用作聚变材料[4]。

I目前，只有R e被证实能够有效提高'钨的低温塑 性。添加5%(质量分数）的R e能够使D B T T降低 50〜200 °C并保持较髙的热导率⑶。W-R e合金的塑 韧性会随着R e含量(最大为27%(质量分数））的增加 而进一步改善。继续增加R e含量将会形成硬脆的《相和X相，从而导致合金的脆化。R e的増韧机制至今 仍有较大的争论。L a s s n e r等^认为合金低温韧性的 改善主要得益于间隙原子（〇山、0、？、3)在合金中溶 解度的增加。间隙原子均匀地分布在钨的晶格中，减 少了其在晶界在偏析，从而显著提高了晶界断裂强度。另一方面，R e能够促进孪晶变形机制在低温条件下的 开动，提高了其塑性变形能力。

.最近，基乎密度之函'埋论（D ensity Funcational T h e o ry,D F T)对R e的增韧机制进行了深人的研究 D;-7|B C C结构的钨有和{123丨〈111>等i•:嬰的滑移系。B C C金属的低温塑性

*基金项目：国家磁约束核聚变能发展研究专项资助项目（2015G B109003〉

收到初稿日期：2015-05-28 收到修改稿日期=2016-03-21 通讯作者：姚伟志，E-mail:yaoweizhigz@ 作者筒介：何培（1983 —），女，郑州人，助理研究员，博士，主要从事粉末冶金材料研究。

何培等；面向等离子体钨基材料的增韧研究最新进展

变形取决于1/2(111〉的螺位错。D F T计算结果表 明，R e的添加会改变1/2〈111>的螺位错的基本性质，包括位错核心结构、P e ie r ls应力以及滑移面等特征。R e会使位错核心从对称向非对称转变，并降低Peierls 应力如图1所示。前者有利于开动更多的滑移系，而 后者则降低了开动塑性变形所需要的应力水平。纯钨

保持对称的位错核心结构，主要滑移面为丨110丨面。而 W-R e合金导致非对称位错核心的形成，使得优先滑 移面向{112}转变。

u- u - u- U- I ~U- U-U- U-

/ / ' ^\ \ / / ^■\\

~〇-〇一〇-〇_〇-〇_〇-〇-

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图1R e的合金化导致的位错-核心对称性转变。空圆代表原子在（111)表面的投影；[111]方向的

位移由连接近邻原子的箭头表示W

Fig 1Transition of dislocation-core sym m etry intro­duced by R e alloying;em pty circles are atom s

projected on the (111)su rface；displacem ents

along the [111]direction are represented by ar­

row s connecting neighboring atom s[4]

然而，R e作为一种稀有金属，价格十分昂贵。另外，R e的大量添加还会导致热导率的下降。通过对纯 钨、W-5%(质量分数）R e及W-25K(质量分数）R e 3种材料在高载荷(30 M W/m2)、长脉冲（40 s)的对比实 验发现，W-25%(质量分数）R e的失重损伤比纯钨及 W-5%(质量分数)R e高几倍。

其它合金元素T a、V、T i的添加并没有显著改善 钨的低温韧性。W-l%T a、W-5%T a、W-5X V合金在 真空条件下的D B T T为400〜1100 °C。最近，通过粉 末冶金工艺制备的W-T i合金的塑韧性也没有明显改

盖[4]

口〇

2 弥散强化（dispersion strengthening)

为了制备出具有高强度和高韧性的低活性钨基材 料，弥散强化和纳米化成为一个主要途径。其主要理 论依据为：相对于传统材料，纳米材料能够同时具备较 高的强度和足够的韧性；微小的弥散相能够起到钉扎 位错的作用，提_材料在高温和觀照条件下的稳定:性，从而获得优异的高温拉伸及抗蠕变性能。此外，大量 的晶界以及弥散相与基体间的相界可以作为辐照缺陷 的吸收阱，从而使纳米晶弥散强化钨基材料的抗辐照 能力大大增强。目前用宁钨基材料的主要弥散相是高 熔点的氧化物（如Y2C)3、La203)。

弥散的Y203能够明显细化勗粒，提高材料的抗氧 化性.。V elevaM通过粉末冶金方法（机械合金化+热_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________08065

等静压）成功制备出了细晶Y203掺杂的钨合金W-(0.3-1.0-2.0)Y2O3,W-(0.3-1.0-2.0)Y，晶粒尺寸为 20〜500 n m，Y2.〇3颗粒的尺寸为1〜50 n m，数密度为 5.4〜6.9X102;?n T3。W-Y合金中所有的Y最终都转 化成了 Y£C)3，这对降低合金中的多余的氧含量非常有 利。然而，热等静压后的钨合金都存在不同程度的孔 隙，从而抵消了细化晶粒所带来的韧化作用，W-2Y的韧脆转变温度在1100〜1200 °C。

弥散强化钨合金的残余孔隙率是影响其塑韧性的 一个关键因素。而材料的残余孔隙率又与其制备工艺 密切相关。B a rta b y a l等[9]通过压制、烧结、热锻制备 出的W-2Y203合金的相对密度提高到99.3%。平均 晶載:尺寸为1〜2 jam，Y2C)；f尺寸为300 nm〜1jum。.3点弯曲实验结果表明，合金在大于等于400 °C时表现 为韧性断裂，随着测试温度的升高，其弯曲应力从室温 的1.3 G P a下降到1 000 °C的580 M P a。拉伸实验进 一步证实了合金W-2Y203塑性的改善，在400〜1000 °C,合金的总延伸率为4%〜10%。

(叫纯钨和WL10棒材在1000 °C的断裂

图2左：棒材的C h a rp y测试结果。右：纯钨和W L10 棒材在1000 °C.的断裂纯钨为韧性断裂，W L10

样品有垂直于缺口根部的沿晶裂纹（箭头所指

处）

Fig 2 L e ft；charpy test results of the rod m aterials.

R ig h t：fracture of a pure tungsten and W L10

rod specimen at 1000 °C.T h e tungsten speci­

men fractured ductile w hile the W L10 specimen

shows intergranular cracks perpendicular to the

notch root,(indicated b y.the.arrow s).[10]

在钨中添加L a203颗粒的主要作用是改參其加工 性能，抑制再结晶和高温蠕变实验证明，La2(:)3弥散 强化钨基合金的机械性能是由其组织结构所决定的，而组织结构又与其制备过程密切相关[i|。P la n s e e公 旬提供的相同化学成分的商用La20

3钨基合金棒材的