【摘 要】
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偏滤器热沉材料用铜合金需满足高的热导率、良好的力学性能、良好的抗中子辐照性能等要求,目前已有的铜合金均无法满足下一代聚变堆的服役要求,目前最合适的DS-Cu备选材料是美国SCM公司的Glidcop Al25,但是内氧化法制备工艺复杂、成本高。本工作基于未来聚变堆热沉材料的性能需求,发展了一种有规模化制备潜力的,具有高热导率、较高的室温/高温力学强度、兼具弥散强化和沉淀强化两种强化方式的新型铜合金,
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偏滤器热沉材料用铜合金需满足高的热导率、良好的力学性能、良好的抗中子辐照性能等要求,目前已有的铜合金均无法满足下一代聚变堆的服役要求,目前最合适的DS-Cu备选材料是美国SCM公司的Glidcop Al25,但是内氧化法制备工艺复杂、成本高。本工作基于未来聚变堆热沉材料的性能需求,发展了一种有规模化制备潜力的,具有高热导率、较高的室温/高温力学强度、兼具弥散强化和沉淀强化两种强化方式的新型铜合金,通过OM、XRD、SEM、TEM等对其进行了微观组织、成分与结构表征,并利用拉伸机、硬度仪、电导率仪对其进行了力学性能和物理性能测试。论文研究主要结果如下:(1)提出了一种新型铜合金的熔铸制备方法。具体流程包括:真空电弧熔炼制备中间合金铸锭、熔体快淬法制备中间合金条带和真空感应熔炼制备不同Zr含量的铜合金。(2)电导率测试表明:随着Zr含量的增加,相同热处理工艺下合金的电导率逐渐下降,但均大于84%IACS,根据魏德曼-弗兰兹定律换算为热导率约350 W·m-1·K-1,可以满足未来聚变堆热沉材料的导热率需求。(3)室温和高温力学性能测试表明:随着Zr含量增加,合金室温强度逐渐升高(屈服强度从350 MPa上升至400 MPa,抗拉强度从370 MPa上升至435 MPa),而塑性逐渐下降(从18%下降至11%)。而高温拉伸强度性能比较稳定,均约为屈服强度280 MPa,抗拉强度290 MPa,仅塑性略有区别。后续可以尝试继续提高Zr含量,但Cu-0.8Zr中已经出现组织成分不均匀现象,后续还需要继续调控熔铸工艺与加工工艺。(4)微结构分析表明:铜基体上分布了与基体不共格的尺寸约300 nm的外加弥散相和与基体共格的固溶时效脱溶出的尺寸约50 nm的沉淀相,其中弥散相颗粒标定为o P-Zr O2。室温拉伸断口处TEM中可以观察到尺寸约0.3~0.8μm的棋盘状γ’相。高温拉伸断口处TEM中可以看见尺寸约80 nm的颗粒,没有位错缠结;高分辨图像中能观察到刃位错,推测高温下的高强度来源于受拉应力产生的局部点阵错动。
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