晶界偏聚策略提升纳米晶钨合金力学性能及热稳定性的研究

编号：CYYJ04677

篇名：晶界偏聚策略提升纳米晶钨合金力学性能及热稳定性的研究

作者：贺瑜

关键词： 纳米晶; 钨合金; 元素偏聚; 力学性能; 热稳定性; 辐照;

机构： 燕山大学

摘要： 钨因其高熔点（3410 ℃）、良好的导热性(173 W/m·K-1)、低热膨胀系数(4.5μm·K-1)、低氚保留率和不与氢反应等优点,被视作国际热核反应实验堆（International Thermonuclear Experiment Reactor,IETR）面向等离子体材料（Plasma Facing Materials,PFMs）的优选候选材料。然而,粗晶钨在强辐照与高温（>1200℃）的极端工作环境下,难以满足PFMs的长周期服役要求。 减小金属晶粒尺寸是提高材料强度与硬度的有效方法之一,纳米晶材料有着超高的机械性能,并且高密度晶界有助于消除辐照纳米晶材料中自由迁移的点缺陷和均匀分散的缺陷。然而,由于纳米晶材料中晶界所占的高体积分数,当温度超过0.3-0.5倍熔融温度（Tm）时,晶粒粗化现象显著加剧,辐照也会导致纳米材料晶粒的异常生长,最终使材料的性能急剧退化。因此,迫切需要在高温和辐照条件下大幅度提高纳米晶钨的热稳定性。近期研究表明,微量元素在晶界上的偏聚能够有效降低合金的晶界能,从而起到提高材料热稳定性的作用。但是,过量添加异种合金元素的钨合金在作为PFMs应用时会因嬗变反应产生脆性沉淀相,加剧材料的辐照脆化,因此平衡钨合金机械性能和热稳定性的同时,最大限度减少异种合金元素的添加也是一个重大挑战。 本文,以W、Y、Y2O3和Ti为原料,通过机械合金化和高温高压烧结,成功制备了平均晶粒尺寸9.0 nm的纳米（Nanocrystalline,NC）WYT（W-1 wt%Y-0.7 wt%Ti）合金与11.0 nm的NC WYOT（W-1 wt%Y2O3-0.7 wt%Ti）合金和25.0 nm的NC W合金。微观结构表征证明了晶粒细化以及退火和偏聚诱导的晶界结构弛豫显著提高了NC WYT的力学性能。NC WYT的显微硬度、屈服强度和极限强度分别为23.2±0.3 GPa、9.4±0.3 GPa.和13.1±1.1 GPa。NC WYT的硬度与WC的硬度相当,而屈服强度比WC高31.5%。摩擦系数和磨损率分别比WC小20.0%和16.3%。 此外,退火和偏聚诱导的晶界结构弛豫也实现了WYT合金优异的热稳定性。在1500 ℃下退火1小时后,NC WYT的晶粒尺寸和硬度分别保持在16.7 nm和19.7GPa。该退火温度高于纯钨的再结晶温度,表明NC WYT具有优异的热稳定性。微观结构分析清楚地证实了Y-Ti-O纳米析出相的存在以及由高温退火和Y、Ti元素在晶界处偏聚引起的晶界结构弛豫。NC WYT超高的热稳定性主要由晶界的结构弛豫贡献,而Y-Ti-O纳米析出相对热稳定性的贡献并不明显。WYT合金在900、1000和1100 ℃时的屈服强度分别高达1581、984和532 MPa,高于目前所报道的W及钨合金,此外WYT合金的扩散激活能Qgb为217±12 k J/mol,WYT合金高温变形机制主要是由晶界滑移机制决定的。 本文还通过低能大流强辐照装置,研究了WYT合金试样在50 e V 1400 K He+1×1026ions/（m2s）与50 e V 1390 K He+3×1024ions/（m2s）条件下的He等离子体辐照损伤过程,结果表明,WYT合金受He等离子体辐照损伤后形成绒毛状纳米结构的过程主要分为表面针孔、氦泡的延伸与聚集、纳米结构的形成三个主要阶段。