本文關(guān)鍵詞：TiC彌散強(qiáng)化鎢合金的沉淀包覆法制備及其性能研究

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【摘要】：第一壁面向等離子體材料是成功實(shí)現(xiàn)聚變堆商業(yè)運(yùn)行的關(guān)鍵,因此得到了廣泛的關(guān)注。在面向等離子材料的候選材料中,由于鎢具有優(yōu)異的熱性能和物理性能,成為了面向等離子體的最主要候選材料。但是,同時(shí)鎢具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)高、再結(jié)晶溫度低以及輻照脆化等缺點(diǎn),這限制了其應(yīng)用。大量研究證明,通過引入TiC顆粒對(duì)鎢進(jìn)行彌散強(qiáng)化是改善以上問題的有效途徑。但是目前的研究發(fā)現(xiàn),采用機(jī)械合金化制備W-TiC合金容易引入雜質(zhì)元素且TiC顆粒容易在鎢晶界聚集長(zhǎng)大。為了改善這些問題,并提高TiC在鎢合金中的分散性,本論文采用沉淀包覆法制備TiC顆粒彌散強(qiáng)化鎢合金。系統(tǒng)研究了化學(xué)沉淀過程、粉末還原制度、TiC的加入量對(duì)粉末的特性以及燒結(jié)塊體的顯微組織、力學(xué)性能和熱導(dǎo)性能的影響。通過塑性加工改善鎢合金的性能,研究了加工變形量對(duì)鎢合金的強(qiáng)度、韌性及DBTT的影響規(guī)律。對(duì)所制備的W-TiC合金的抗氘(D)等離子和氦(He)離子輻照性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。主要研究?jī)?nèi)容和主要結(jié)論包括:1.通過在偏鎢酸銨(AMT)溶液中添加1wt.%的聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)并超聲分散30min獲得了具有良好分散性的TiC顆粒懸浮液,放置20h后TiC顆粒未發(fā)生明顯沉降;通過沉淀包覆法得到了具有核殼結(jié)構(gòu)的W-TiC前驅(qū)體粉末,TiC顆粒被均勻包覆在粉末顆粒中;經(jīng)氫氣還原后的粉末具有假晶結(jié)構(gòu),并且粉末仍保持著核殼結(jié)構(gòu);沉淀包覆形成核殼結(jié)構(gòu)的機(jī)理主要是通過鎢酸沉淀以異質(zhì)成核作用在分散良好的TiC顆粒表面形核和長(zhǎng)大而形成。2.在TiC懸浮液中加入1%PVP能顯著提高TiC顆粒在燒結(jié)態(tài)W-0.1TiC合金中的分散性,TiC顆粒幾乎全部均勻彌散分布于鎢晶粒內(nèi)部,TiC的平均顆粒尺寸與原始的TiC顆粒尺寸相近,而未使用PVP的W-0.1TiC合金中TiC顆粒尺寸較大并且分布不均勻。添加PVP后制得的W-TiC合金的抗彎強(qiáng)度值相比于未添加PVP的W-TiC合金有顯著提高。3.采用沉淀包覆法制備了 W-(0-0.9)wt.%TiC材料,研究結(jié)果表明:隨著TiC含量的增加,W-TiC合金的晶粒尺寸逐漸減小,TiC顆粒的平均尺寸逐漸增大;其中W-0.5TiC合金的抗彎強(qiáng)度達(dá)到了最大值(1065.72MPa);隨著TiC含量的增加,W-TiC合金的熱傳導(dǎo)性能逐漸降低,當(dāng)TiC含量從0.1%增加至0.5%時(shí),熱傳導(dǎo)率緩慢降低,而TiC含量超過0.5%后,W-TiC合金的熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率都大幅度降低。另外,采用球磨法制備了 W-0.5TiC合金,其顯微組織中TiC顆粒發(fā)生了明顯的長(zhǎng)大,且TiC顆粒主要在鎢晶界分布,其相比于沉淀包覆法制備的W-0.5TiC合金也具有較低的力學(xué)性能和熱傳導(dǎo)性能。4.采用中頻感應(yīng)燒結(jié)法和塑性變形加工得到了具有不同變形量(65%和83%)的商業(yè)純鎢和W-TiC合金,研究表明,W-TiC合金中的TiC顆粒隨著變形量的增大而沿著軋制方向被顯著拉長(zhǎng),這些被拉長(zhǎng)的顆粒主要分布于鎢晶粒內(nèi)部。W-TiC合金隨著變形量的增大晶粒發(fā)生了細(xì)化,83%變形量的W-TiC合金得到了最高的抗彎強(qiáng)度(1260.3MPa),具有最好的拉伸韌性和夏比沖擊性能,通過高溫拉伸測(cè)試得到的DBTT300℃,通過夏比沖擊試驗(yàn)得到的DBTT約為450℃,相比于同等變形量的純鎢材料和較低變形量的W-TiC合金降低了約200℃。W-TiC合金的強(qiáng)韌化機(jī)理是由加工強(qiáng)韌化、晶粒細(xì)化效應(yīng)和TiC顆粒彌散強(qiáng)韌化共同作用。5.研究了通過沉淀包覆法制備的W-TiC合金的抗D等離子體輻照和He離子輻照性能,研究結(jié)果顯示:由于添加TiC顆粒能夠細(xì)化鎢晶粒的尺寸和增加材料的致密度,因此所制備的W-TiC合金相比于純鎢具有顯著更高的抗D等離子體輻照性能,并且隨著樣品中TiC含量從0.1%增加到0.5%,樣品表面受D等離子體損傷程度逐漸減弱;此外,具有83%加工變形量的W-TiC合金相比于具有65%加工變形量的W-TiC合金具有更高的抗D等離子體和氦離子輻照性能。6.通過沉淀包覆法成功制備了氧化物和氮化物顆粒彌散強(qiáng)化鎢合金,研究結(jié)果顯示:Y2O3、La2O3和A1N納米顆粒都可以通過沉淀包覆法摻雜到鎢合金中而形成核殼結(jié)構(gòu)粉末;W-0.35%A1N合金具有最細(xì)小的平均晶粒尺寸(2.1μm)和平均彌散顆粒尺寸(1OOnnm),其組織中彌散顆粒均勻分布于鎢基體中,并且其中大部分顆粒都分布于鎢晶粒內(nèi)部,導(dǎo)致其具有最高的力學(xué)性能和最佳的熱傳導(dǎo)性能,但是A1N在制備過程中形成了 A1203-A1N復(fù)合顆粒。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB333;TL627

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本文編號(hào)：1294414