通过塑性变形提高细晶弥散强化钨合金的高热负荷性能研究

Tungsten (W) is considered as the promising candidate material for the plasma facing components (PFCs) in the future fusion reactors attributing to its many excellent properties. However, current commercial pure tungsten material has defects such as coarse grains, high ductile-brittle transition temperature (DBTT) and low recrystallization temperature, which can not meet the harsh wall loading requirement of future fusion reactor. Fine-grained dispersion strengthening tungsten has been reported to be effective in improving the mechanical properties , raising the recrystallization temperature and reducing the DBTT. In this project, Y2O3and TaC were designed as dispersion phases to refine W grains, hot-pressing and plastic deformation technologies were used to produce high density fine-grained dispersion strengthening tungsten. The physical property and high thermal load performance of tungsten were tested, and the effect of preparation technology on the mechanism of tungsten properties was analysed and discussed. Implementation of this project can provide important reference for the study of plasma facing materials, it has an important significance for the study of first-wall materials.

钨被认为是未来聚变堆最有前景的第一壁材料。但是由于纯钨存在晶粒粗大、再结晶温度低、韧脆转变温度高等缺点，难以符合今后聚变堆面对等离子体材料的要求。弥散增强钨合金材料由于能有效提高钨材料的再结晶温度、增强其力学性能、降低其韧脆转变温度，在科研及生产领域得到广泛应用。本项目针对第一壁材料研究的欠缺之处，通过热压烧结和塑性变形加工相结合的工艺制备添加Y2O3和TaC等弥散相的高致密度细晶弥散强化钨合金，然后测试其物理力学性能及高热负荷性能，分析并讨论此种材料制备工艺对钨合金性能尤其是高热负荷性能的强化机理。本项目的实施可以为面对离子体材料的研究提供重要参考，对聚变堆第一壁材料的研究有着重要的现实意义。

钨被认为是未来聚变堆最有前景的第一壁材料。但是由于纯钨固有的缺点，其难以符合面对等离子体材料的要求。弥散增强钨合金材料由于能有效提高钨材料的再结晶温度、增强其力学性能、降低其韧脆转变温度，在科研及生产领域得到广泛应用。本项目通过粉末冶金的方法制备了不同配比的W-Y2O3、W-TaC 合金粉末，然后在热压炉中进行热压烧结制备出W-Y2O3、W-TaC弥散强化钨合金，并通过热塑性加工方法对烧结的钨合金进行塑性变形以进一步强化钨合金的性能。通过不同方法测量了变形后钨材料的密度、硬度、晶粒大小、拉伸强度等性能，通过扫描电镜观察了材料的断口形貌、EBSD照片，通过透射电镜观察了材料的显微组织特征。通过西南物理研究院的60Kw电子束材料测试平台测试不同钨合金材料在变形前后的裂纹生成阈值，并在德国IPP的GLADIS装置上进W-Y2O3进行了H/He中性束辐照实验。.结果表明经过塑性变形的钨合金的密度、硬度、力学强度等均有了明显的提升。经过高能率锻造的W-Y2O3材料展现出非常好的力学性能和低温塑性。该材料在100℃时的拉伸强度高达1.28GPa，拉伸应变达到5%。在室温下，该材料的弯曲强度高达2.75GPa。高能率锻造W-Y2O3样品的抗热冲击性能优异，在室温条件下可以达到0.66GW/m2时表面无裂纹生成。其裂纹生成阈值远高于一般的钨合金。高能率锻造W-Y2O3材料的H/He辐照与电子束热负荷协同测试结果表明该材料的裂纹生成阈值在辐照后不会发生下降。经过高能率锻造的W-TaC材料展现出非常好的高温力学性能，与其它钨基材料相比，W-TaC在400~600℃的拉伸强度没有出现明显下降，基本保持在1GPa左右，这远高于一般的弥散强化钨合金。W-TaC的抗热负荷性能也比ITER级纯钨有明显提升。本项目的实施可以为面对离子体材料的研究提供重要参考，对聚变堆第一壁材料的研究有着重要的参考价值。