论文部分内容阅读
钨及钨合金以其优异的抗热冲击性能、低热膨胀系数(CTE)、低溅射产额和低氚滞留成为受控核聚变堆面向等离子体第一壁(PFMs)的候选材料之一。样品的致密化和晶粒的纳米化控制成为提高钨及钨合金材料高温使用性能和抗辐照性能的关键。由于钨具有较高的熔点，传统方法制备无法获得高的致密度，且在长时间制备过程中晶粒易长大。本文采用机械合金化(MA)、溶胶-凝胶(Sol-gel)还原法结合高效的微波烧结(MS)和放电等离子体烧结(SPS)方式对钨基材料进行致密化，并利用合金元素与钨之间的相互作用以实现晶粒的纳米化。这些工作为钨基材料在热核聚变反应堆面向等离子体第一壁中的实际应用提供了重要的实验基础。 为了提高钨基材料的烧结致密性，考察了烧结助剂Ni，Fe和Cr的效果，发现只有Ni既可以提高烧结致密度，又维持较高的热导率。在机械合金化48 h和微波烧结1450℃条件下，优化Ni含量(0.1-1.0wt.％)和烧结保温时间(5-30 min)后，得到最佳工艺条件为:W中掺杂1.0 wt.％ Ni，微波烧结5 min。此时合金致密度为99％，晶粒尺寸最小为15μm。W-1wt％Ni合金的维氏显微硬度在370 Hv-440 Hv之间变化，合金的室温热导率为130 W/m K。 为了利用钨/铜的不相溶性来减小钨的晶粒尺寸，采用溶胶凝胶-还原的方法制备了W/Cu复合粉体，XRD结果表明在750℃、2h氢气还原得到纯相。粉末粒度在100-400 nm之间，且在纳米尺度上实现了W颗粒和Cu颗粒的均匀混合。微波烧结1200℃，25 min，W/Cu样品的致密度达到97％，W晶粒大小为600hm，显微硬度值为347 Hv，热导率达到187 W/m K。采用10 MeV的Cl3+离子辐照纯W和W/Cu样品，发现随着辐照剂量的增加，两种样品平均硬度值均逐渐增大，且增幅变小。 利用SPS在1700℃烧结W-5Cr合金，致密度为98.5％，晶粒大小为2μm。固溶处理1350℃，5h后，晶粒尺寸增大到3.8μm。为获得调幅分解的纳米结构，在500或800℃时效处理30-960min，得到了稳定的纳米结构，即:100-200 nm的富Cr相镶嵌在W晶粒中，而40-50 nm的W亚晶粒被纳米级的富Cr相分隔开，样品维氏显微硬度高达760 Hv。