掺杂合金元素面向等离子体钨基材料的研究现状与发展趋势

钨基复合材料因其优良的性能逐渐取代碳基材料和铍等,成为最有可能应用于国际热核聚变实验堆中面向等离子体材料,但其存在低温脆性、再结晶脆化、辐照脆化和燃料粒子滞留等问题。目前,主要是从合金化、第二相颗粒弥散强化以及制备超细晶(UFG)/纳米晶钨基材料等方面来改善钨及其复合材料的性能。合金化是最常用的改善合金性能的手段之一,合金元素或扩散溶解于钨基体中,或作用于缺陷和杂质,改变钨基材料的组织结构从而提高其性能。综述主要介绍合金元素在钨合金中性能提升和作用机理,同时也指出合金元素改善钨合金性能方面存在的问题、可能的改善措施以及未来的发展趋势。     

聚变反应堆钨基等离子体材料研究进展

钨基材料具有高熔点、高热导率、蒸气压低、氚滞留量低等优良性能,成为具有广阔应用前景的面向等离子体材料。由于其低温脆性、再结晶脆性和辐照损伤等方面的不足,限制了其在工程上的应用,成为国际核聚变材料界的研究热点。本文综述了钨基面向等离子体材料的研究现状,阐述了钨材料在4类粒子辐照下所引起的损伤和当前钨材料改善性能常用的4类手段,并对当下钨材料还需解决的问题进行探讨。     

核聚变装置中钨材料损伤行为的研究进展

轻核聚变反应产生的核能是解决能源问题的有效途径。但核聚变堆中材料的工作环境苛刻,钨凭借其优异性能成为今后核聚变装置中最有前途的备选材料,然而纯钨用于聚变堆时,存在韧脆转变温度较高、再结晶温度低、辐照硬化和脆化以及难加工等问题。因此,引入钨基材料以达到解决上述问题的目的。在此基础上,介绍了钨和钨基材料在等离子体辐照、高热负荷以及高能中子辐照作用下的损伤行为,讨论了损伤机理,并指出了尚需研究的若干关键问题。     

核聚变堆用W及其合金辐照损伤行为研究进展

受控热核聚变能作为一种清洁且原材料丰富的终极理想能源,被认为是未来能够有效解决能源问题的主要途径。而在实际聚变反应过程中,面向等离子体材料(plasma facing materials,PFMs)需要面临极其苛刻和恶劣的环境。W及其合金是目前最具有应用前途的PFMs的候选材料,但由于其低温脆性、再结晶脆性和辐照脆化等性能方面的不足,还不能达到PFMs的使用要求。本文对W及其合金在不同辐照粒子下的损伤行为的机制进行了详细阐述,并对相关领域近年来的研究进展进行了综合评述和展望,旨在为后期钨基材料辐照方面的研究提供参考。     

钨基面向等离子体材料的研究进展

综述了国内外广泛研究的W-La2O3和W-TiC合金的制备工艺、力学性能和辐照性能的研究进展。结果表明:向钨基体中加入La2O3弥散相,虽然能够显著改善钨的强度和韧性,但使钨的抗辐照性能降低,氢泡密度和氢滞留量明显增加;当采用TiC纳米颗粒作为弥散相,经过热等静压烧结和塑性加工后,钨合金的抗弯强度达到4.4 GPa,再结晶温度高于2 473K,韧脆转变温度(DBTT)比纯钨的低100 K;TiC的加入能够显著提高钨的抗辐照性能,与纯钨相比,氚滞留量减小,没有明显的辐照硬化,材料表面没有裂纹和剥落。     

面向等离子体W材料改善韧性的方法与机制

作为面向等离子体候选材料,金属W多晶材料具有低韧性的特点,表现出室温脆性行为和高的韧脆转变温度,极大地限制了其在工程上的应用。针对当前常用的改善W韧性的方法:细化晶粒,添加合金化元素、第二相颗粒和W纤维以及加工变形技术,本文从内韧化和外韧化2种韧化机制来阐述各种韧化方法,以加深对改善W韧性的理解。结合目前国内外研究现状,对改善钨基材料的方法进行讨论并对改善钨基材料发展方向进行简单展望。     

核聚变堆用钨及钨基材料热负荷损伤行为的研究进展

聚变堆在运行过程中面对等离子体钨基材料需要承受住一定次数稳态和瞬态热负荷的冲击而不发生开裂以及熔化等损伤。对商业钨在不同测试手段下热负荷的损伤行为进行了分析,阐述超细晶粒钨、合金化、掺杂碳化物以及稀土氧化物等改性手段对钨基材料热负荷性能的影响;对面对等离子体钨基材料热负荷损伤行为进行了总结与展望。     

纳米碳化钛弥散增强钨聚变材料研究

研究了纳米碳化钛弥散增强钨基聚变材料的力学性能及高热负荷性能,并且对增强机理进行了分析探讨。结果表明,弥散相纳米碳化钛含量为1 wt%时,该复合材料的力学性能和高热负荷性能更加优异。     

碳化物/氧化物弥散强化钨基材料研究进展

钨(W)具有高熔点(3410℃)、高密度(19.35 g/cm~3)、高硬度、高弹性模量、高热导率以及低膨胀系数、低蒸气压等优异的性能,在国防军工、航空航天和核工业等领域中有着重要的作用。但同时,W及其合金的缺点,如低温脆性(韧脆转变温度通常在400℃以上)、室温抗拉强度低,再结晶脆性、高热负荷开裂及辐照脆化等问题,又严重影响了其加工及服役性能。针对上述问题,国内外开展了碳化物/氧化物弥散强化的钨合金研究,通过纳米级碳化物/氧化物弥散强化及微结构优化,提高了W的力学性能及其它服役性能。本文主要从核聚变第一壁用碳化物、氧化物弥散强化钨基材料的设计、制备、组织与性能调控及服役性能评价等方面进行综述,并介绍了作者研发团队的最新进展,展望了未来发展趋势及待解决的问题。     

钨铼合金制备工艺及其热负载行为的研究现状

钨凭借其优异的性能,已成为核聚变堆面向等离子体材料的候选材料之一。在核聚变堆运行过程中,钨将面临高热负载辐照、高氢/氦等离子体辐照和高能中子辐照。其中,钨经中子辐照后会产生嬗变元素铼,随着核聚变反应的进行,这些元素将在钨中持续产生和积累,形成嬗变产物钨铼合金。因此,钨面向等离子体材料的热力学参数和耐热负载性能会发生变化,这将关系到钨面向等离子体材料的服役性能,甚至关系到反应堆的稳定运行问题。目前,由于在实验室条件下核聚变高能中子的产生受限,故而对嬗变产物钨铼合金的研究主要基于实验室制备的钨铼合金。本文综述了现阶段钨铼合金的主要制备工艺及其热负载行为,分析了钨铼合金热辐照行为中存在的问题,希望能为未来核聚变堆中钨面向等离子体材料的早日应用提供参考。     

弥散强化铂基复合材料的研究与应用现状

弥散强化铂基材料是一种先进的结构型与高温型贵金属复合材料,是玻璃纤维漏板材料发展的主要方向。论文阐述了弥散强化铂基材料国内外研究现状,弥散强化铂基材料的制备方法、组织结构特点、力学性能和强化机理,介绍了弥散强化铂基材料的主要应用以及新的发展动向。     

High temperature nanoindentation of tungsten: Modelling and experimental validation

Knowledge of mechanical properties of the tungsten surface region is extremely important for its application as first wall materials in plasma-facing components for nuclear fusion devices (e.g. ITER). Since tungsten is intrinsically brittle at room temperature, characterization of its ductile properties is possible only above the so-called ductile-to-brittle transition temperature (DBTT), which is above 500–700 K. This is why the development and qualification of instrumented hardness measurements at elevated temperature is an important task to enable the characterization of tungsten properties after exposure to heat shocks, plasma beam and ion irradiation, which all together mimic the actual operation conditions of nuclear fusion. We have performed nanoindentation measurements on tungsten in the constant stiffness mode using Bruker stage developed for high temperature operation with oxygen protective environment. Commercially pure tungsten of ITER specification is studied in the as-produced and as-recrystallized conditions to deduce the impact of the texture and forging on the hardness. The obtained results are analysed by means of crystal plasticity finite element method (CPFEM) model to subtract the constitutive laws for the elasto-plastic deformation and derive the strengthening term attributed to the contribution coming from statistically stored dislocations and grain boundaries.     

Fabrication of protective-coated SiC reinforced tungsten matrix composites with reduced reaction phases by spark plasma sintering

SiC reinforced tungsten matrix composites were fabricated via the spark plasma sintering process. In order to prevent an interfacial reaction between the SiC and tungsten during sintering, TiOx coated SiC particles were synthesized by a solution-based process. TiOx layer coated SiC particles were treated in high temperature nitriding conditions or annealed in a high temperature vacuum to form TiN or TiC coated SiC particles, respectively. The TiC layers coated on SiC particles successfully prevented tungsten from reacting with SiC; hence the proposed process resulted in successful fabrication of the SiC/W composites. The mechanical properties such as compressive strength and flexural strength of the composites were measured. Additionally, the effect of SiC on the high temperature oxidative ablation of tungsten was also investigated. The addition of SiC resulted in an improved oxidative ablation resistance of the tungsten-based composites.     

面向等离子体壁材料的腐蚀行为与涂层防护综述

面向等离子体材料(Plasma Facing Materials,PFMs)可保护磁约束核聚变装置部件,使此部件不受芯部边缘等离子体的影响,但等离子体与壁相互作用(Plasma-Wall Interactions,PWI)所引起的高温腐蚀、辐射损伤和燃料滞留等问题已然成为先进核聚变装置的发展瓶颈.目前,低Z材料(C、B...     

高温强化铂合金研究进展

高温强化铂合金是一种先进的高温结构贵金属材料,论述了固溶强化、弥散强化和沉淀强化等铂合金强化方法及特点,力学性能和强化机理,介绍了高温强化铂合金的的研究进展和主要应用情况,最后展望了高温强化铂合金的研究方向。     

High temperature ablation resistance of ZrNp reinforced W matrix composites

For the purpose of improving the high temperature ablation resistance of tungsten-based materials, a new class of composites was fabricated using particulate ZrN as reinforcement. The high temperature ablation behavior of the composites was investigated using oxyacetylene torch. Three different volume contents (up to 30 vol.%) of ZrN were added to tungsten. It was observed that the addition of ZrN particles significantly enhanced the ablation resistance of the tungsten composites. Higher volume fraction of ZrN particles resulted in lower ablation rates. It was observed that ZrN particles, when exposed to the flame, formed a stable oxidation layer of ZrO₂ on the surface of the sample. This layer prevents further damage to the tungsten matrix, thus resulting in lower ablation rates. The effect of ZrN reinforcement content on the thermal behavior of the tungsten-based composites was also investigated. Thermal conductivity of the composites was seen to decrease as a function of temperature and reinforcement content. Lower values of thermal conductivity are helpful in enhancing the elevated temperature performance of the composites.     

钨基硬面技术的现状及发展

硬面技术(热喷涂、堆焊、喷焊等)是近年新兴的一种综合性应用技术,能显著提高部件的耐磨、耐热、耐腐蚀等性能,延长部件的使用寿命、降低能耗。本文研究了热喷涂、堆焊、喷焊和熔渗用钨基硬面材料和应用技术的现状及发展趋势。研究结果表明:钨基硬面材料硬度高、耐磨性和耐腐蚀性优异已成为应用最为广泛的硬面材料,未来市场前景广阔;随着硬面应用技术的发展和部件表面性能要求的提升,细颗粒/纳米晶复合钨基热喷涂材料、钨基药芯焊丝、高细晶含量铸造碳化钨等将成为钨基硬面材料的发展趋势。     

金属W中辐照缺陷的产生、演化与热回复机制

金属W是核聚变反应堆中面向等离子体部件的主要候选材料。服役期间,钨部件需要承受高温、高通量聚变反应中子轰击带来的辐照级联损伤。这些损伤主要表现为高浓度的点缺陷及团簇。它们与氢氦等离子体、嬗变反应的多种产物相互作用,导致辐照硬化、韧脆转变温度升高、导热能力下降等问题。本文围绕金属W的辐照级联损伤,基于显微缺陷实验表征与材料多尺度模拟计算,系统总结了辐照缺陷的产生、演化与热回复行为及作用机制。这些信息反映了材料中辐照缺陷特征的统计规律,构成定量描述微观损伤组织随时间尺度与空间尺度变化的依据,有利于钨部件性能的预测、服役可靠性评价以及未来新型材料部件的研发。     

弥散强化钼合金的研究进展

钼及其合金是一类具有高熔点、高强度、高硬度和高导热性等优异特性的难熔金属,广泛应用于航空航天、核能、电子和化工等领域。然而,钼及其合金也存在一些固有缺陷,如高温强度不足、室温延性低、再结晶温度低、抗辐照性能差等。为了提升钼及其合金的性能,研究人员采用了多种方法,其中弥散第二相颗粒是一种简单高效的强化手段。本文综述了已报道的不同金属碳化物和氧化物强化相对钼合金微观结构和力学性能影响的工作结果。分析了氧化物和碳化物的颗粒形貌、尺寸、分布、体积分数以及与钼基体的界面结构对钼合金力学性能的影响,讨论了不同掺杂技术获得高性能钼合金材料的特点,阐述了弥散强化钼合金在工业应用和生产等方面面临的挑战和机遇。本文力求为弥散强化钼合金的设计提供科学依据,扩展钼合金在各领域的广泛应用。