微量Ta和TaC协同调控W基合金晶界/相界及其提高材料综合性能的机理

W-Ta-C alloy with excellent compatibility of plasma and low retention of hydrogen isotope is a promising candidate for the first wall and divertor materials in fusion reactor. This project will focus on the scientific issue of the brittle W2C phase resulting in worse mechanical properties and thermal shock resistance of W-Ta-C alloy, manipulate the distribution and existence status of alloy elements and compounds in grain/phase boundaries and suppress the formation of W2C phase by adding trace Ta and TaC simultaneously, meanwhile, optimize the fabricating and thermal treatment technology to control the formation of conherent or semi-conherent Kurdjumove-Sachs crystal relationship between the (W,Ta)C phase and W matrix in grain/phase boundaries and thereby strengthen grain/phase boundaries as well as abosorb/save dislocations, significantly improving the low temperature ductility and high temperature strength /plasticity/thermal shock resistance of W-Ta-C alloy and developing W alloy with excellent comprehensive properties. The corresponding mechanism will be explored by analyzing microstructure and element compositions. The achievements of this project will provide scientific proofs for developing W alloys with high performance and its application in the first wall and divertor in fusion reactor.

W-Ta-C合金具有非常好的等离子相容性及低的氢同位素滞留，可望作为聚变堆第一璧及偏滤器候选材料。本项目针对已有W-Ta-C合金中晶界处易形成W2C脆性相，导致合金力学性能及抗热冲击性能不能满足聚变反应堆材料要求的科学问题，通过微量合金元素Ta及TaC同时添加来调控W基合金的晶界/相界处元素及化合物存在形态及分布，抑制脆化相W2C的形成，同时优化制备和热处理工艺控制(W, Ta)C第二相在晶界/相界处与W基体形成共格或半共格Kurdjumov-Sachs晶向关系，强化晶界/相界、吸收存储位错，大幅度提高W-Ta-C合金的低温韧性及高温强度/塑性/抗热负荷冲击性能，发展具有良好综合性能的W基合金。通过微结构和元素成分分析，研究W基材料综合性能提高的机理。项目研究成果将为高性能钨基材料的开发及其应用于聚变堆第一璧及偏滤器提供科学依据。

核聚变能是解决能源问题的有效途径之一，而面向等离子体材料是核聚变能发展面临的挑战之一。W-Ta-C合金具有非常好的等离子相容性及低的氢同位素滞留，可望作为聚变堆第一璧及偏滤器候选材料。本项目主要通过微量合金元素Ta及TaC同时添加协同调控W基合金的晶界/相界处元素及化合物存在形态及分布，同时优化制备和热处理工艺控制(W, Ta)C第二相在晶界/相界处与W基体形成共格或半共格晶向关系，强化晶界/相界、吸收存储位错，大幅度提高W-Ta-C合金的低温韧性及高温强 度/塑性/抗热负荷冲击性能，同时通过微结构和元素成分分析 ，系统的研究了W基材料综合性能提高的机理。获得了一些具有创新性成果：.1. 发现TaC颗粒能有效细化晶粒；微量TaC能和粉体中杂质O元素反应得到Ta-C-O化合物，降低杂质氧在晶界处偏聚，增强晶界结合力，使材料的低温力学性能得以改善；.2. 基于优化组分，利用轧制法制备了高致密的W-0.5wt.% TaC板材，其韧脆转变温度在200~250ºC之间，在200ºC的抗拉强度达到600 MPa，250ºC的抗拉强度为717 MPa，断裂延伸率约为10%；.3. 然后通过控氧和细化晶粒，制备出具有细晶组织的W-0.5wt.% TaC板材，强度和韧性均得到提高，材料在200ºC的抗拉强度达到982 MPa，断裂延伸率达到12%，韧脆转变温度为200ºC，在600ºC下材料依旧保持较高的抗拉强度（572 MPa），延伸率为30.2%，力学性能较传统方法制备的W-TaC板材有了明显的进步；.4．发现材料的强度/韧性越好，抵抗裂纹萌生以及吸收热负荷的能量越强，材料的开裂阈值越高。. 上述研究成果为高性能面向等离子体材料的研发提供了科学指导。