【摘要】：鎢(W)及其合金因其優(yōu)異的性能被選為最有應(yīng)用前景的面向等離子體候選材料,然而鎢及其合金存在低溫脆性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度高和輻照脆化等問題。本研究采用機(jī)械球磨結(jié)合放電等離子體燒結(jié)技術(shù)(SPS)制備稀土改性的W基復(fù)合材料,研究了稀土Lu添加量對(duì)鎢基復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)和性能影響;研究了W-Lu復(fù)合材料的抗瞬態(tài)激光束熱沖擊性能和抗氘滯留性能。主要研究結(jié)果如下:(1)W-Lu復(fù)合材料的相對(duì)密度隨Lu含量的增加而先增加后略微降低,復(fù)合材料的顯微硬度顯著提高。W-Lu樣品晶粒尺寸細(xì)化效果顯著,由純W的10μm減少至2-3μm。W-Lu復(fù)合材料中的第二相均勻地分布于W晶界處,起到細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化的效果。W-Lu復(fù)合材料的斷裂方式由純W的沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐?穿晶混合型斷裂。(2)高能瞬態(tài)激光沖擊后,材料表面產(chǎn)生了裂紋、孔洞、濺射、氧化物、燒蝕、熔化及再結(jié)晶等缺陷和特征。W-2%Lu和W-5%Lu樣品的損傷程度較低。低熔點(diǎn)第二相的熔化有利于吸收沖擊中心區(qū)域的高能量從而保護(hù)基體,減小W的損傷程度,但易產(chǎn)生濺射。Lu含量過多造成性能下降,W-10%Lu損傷程度較大,僅次于純W。適量Lu的添加顯著改善了W的抗熱沖擊性能,提高了W在熱負(fù)荷下的開裂閾值和熔化閾值。(3)適量Lu元素?fù)诫s有利于提高W基材料的抗氘滯留性能。W中的D滯留量隨著Lu含量的增加先降低后增加。W-5%Lu樣品的D滯留量最低。He離子輻照使材料內(nèi)部產(chǎn)生新的D捕獲缺陷類型,顯著增加了W-5%Lu樣品的氘滯留量。高能量的重Fe離子輻照使得W中位錯(cuò)密度增加,顯著提高了W中的D滯留量。
【圖文】：

W-Re 合金由于其良好的韌性受到廣泛研究。Re 可以改變位錯(cuò)中心的對(duì)稱性，降低位錯(cuò)滑移的阻力，增加滑移面的數(shù)量，從而能夠促進(jìn)塑性變形，顯著改善 W 的塑韌性[16, 17]。另外，Re 有助于降低 W 材料的 DBTT，并且提高 W 的RCT[18, 19]，擴(kuò)大 W 在聚變堆環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用工作溫度區(qū)間，使得反應(yīng)更加安全。在改善 W 的輻照性能方面，少量的 Re 可以顯著降低 W 中的 D 滯留量[20]，但在中子輻照下 W-Re 合金容易析出脆性相，嚴(yán)重降低材料的性能[21, 22]。此外，Re 會(huì)顯著降低 W 的熱導(dǎo)率[23]，這些不足使得 W-Re 合金在聚變堆材料方面的應(yīng)用受到限制。AGUIRRE 等[24-26]采用粉末冶金技術(shù)制備了多元摻雜的 W-Ti-Y2O3合金，在不同溫度下（25~1000 ℃）測(cè)試和對(duì)比了 W 材料的強(qiáng)度和韌性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，T<600 ℃時(shí)，Ti 的加入有助于顯著提高 W 材料的強(qiáng)度、硬度和韌性；T>600 ℃時(shí)，W 材料的韌性則顯著降低，如圖 1.1 所示。T<600 ℃時(shí)，相比于 W-Ti-Y2O3樣品，W-Ti 合金具有更高的強(qiáng)度和韌性；T>600 ℃時(shí)，氧化的發(fā)生會(huì)使 W-Ti 的性能顯著降低。相比于 W-Ti 合金，W-Ti-Y2O3合金內(nèi)部孔隙較多，其晶間結(jié)合力較弱，因此造成強(qiáng)度和韌性下降，脆性增加。

作用在 25 mm×25 mm 的表面區(qū)域，作用時(shí)帶來的溫度低于材料 RCT 時(shí)，TiC 的加入顯著提高當(dāng)溫度高于 RCT 時(shí)，TiC 對(duì) W 抗熱負(fù)荷性能的改使得 W 導(dǎo)熱能力下降，不利于進(jìn)一步提高 W 的熱 W 基材料還具有良好的抗輻照性能。通過機(jī)械合W-0.5TiC 復(fù)合材料在中子輻照下幾乎沒有發(fā)生硬化保持表面結(jié)構(gòu)的完好性，未出現(xiàn)起泡等現(xiàn)象[40, 41]。向純 W 中添加了 ZrC 顆粒，研究了 ZrC 對(duì) W 材料量的 ZrC 能夠顯著增加 W 的相對(duì)密度，ZrC 含量變，，如圖 1.2 所示；ZrC 含量低于 3%時(shí)，W 的拉含量過多時(shí)易造成 W 晶界處的 ZrC 團(tuán)聚，降低界面拉伸強(qiáng)度降低，如圖 1.3 所示。W 的晶粒尺寸隨燒結(jié)的過程中 ZrC 與 W 基體之間形成了細(xì)小的(ZrC 的加入，W 材料的斷裂方式由沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)?
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TL627;TB33

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