核聚变堆关键材料的强韧化研究

1、核聚变堆关键材料的强韧化研究氧化物弥散强化钢 (ODS)具有优异的高温性能和抗辐照性能 , 是聚变堆最佳的包层结构材料备选材料之一。 钨具有高熔点、高热导率、高溅射阈值、低氚滞留、与等离子体良好的兼容性等优点成为最具潜力的面向等离子体材料。 但脆性严重制约了这两类材料的应用和发展。针对这两种材料共有的脆性问题 , 本论文主要采用层状增韧技术对它们进行了强韧化研究。 主要结论如下所述 :(1) 首先 , 我们对 N-RAFM钢进行了研究 ,Ti 、V、N合金元素含量的增加都能使钢的组织细化 , 但 Ti 含量过高会导致析出物尺寸增加。优化的二次淬火 - 回火热处理能显著细化钢的组织 , 并降低

2、DBTT。但 N-RAFM钢的 DBTT随着 Ti 含量的增加而升高 , 这是因为 Ti 促进了有害的方形碳氮化物 (Ti,V)(C,N) 的形成。二次淬火 - 回火处理下 , 含 Ti 的 N-RAFM钢的 DBTT在-47 -40 范围内 , 但仍远低于室温。而且 Ti 、N的加入细化了组织 , 在钢中形成大量稳定的纳米氮化物析出物 , 而辐照下更稳定的组织和 DBTT 比更低的初始 DBTT更重要。(2) 在 N-RAFM钢的基础上 , 我们对 ODS钢基体进行了 N 强韧化研究。 N可以细化晶粒 , 并得到大量与基体亲润性良好的纳米碳氮化物析出物和氮化物包覆氧化物的颗粒 , 改善了析出

3、物与基体的亲润性。同时 ,ODS钢双峰的晶粒尺寸分布和大量纳米 Y-Ti-O 析出物 , 使得 N-ODS钢具有较高的强度和塑性 , 例如 0.2N-ODS 钢的强度和塑性高达 934MPa、11%。N 含量继续增大到 0.5%时, 细晶含量增加 , 析出物和被析出物钉扎的位错密度也增加 , 使 0.5N-ODS钢的强度高达 1310MPa,塑性降低至 7.1%。过量的 N使钢中形成了大颗粒的球形 CrVTiN 复合氮化物 , 并减少了细小的 MX相析出物 , 也导致了0.5N-ODS钢的塑性降低。但不会像 N-RAFM钢一样形成有害的粗大的方形 (Ti,V)(C,N) 析出物 , 严重损害韧

4、性。 (3) 然后 , 我们分别采用 Ta 片、Ti 片对 ODS钢进行了层状增韧研究。 结果表明 :Ta 增韧层的存在能显著提高 ODS钢的强度和塑性 ,0.2N-ODS/Ta 的强度和塑性高达1390MPa、13.6%。虽然 ODS钢基体与 Ta 增韧层的强界面限制了 Ta 增韧层的塑性变形以及界面开裂 , 但层状体系提高了层状复合材料的缺陷抗性 , 延缓了 ODS基体的断裂失效。同时 , 裂纹在 Ta 内部偏转 ,Ta 的开裂和拔出 , 以及 Ta 的微量塑形变形都会消耗能量 , 改善强韧性。对于 ODS/Ti 层状复合材料 , 只有 N含量较高时 , 才具有很好的强韧化效果 , 例如

5、0.5N-ODS/Ti 强度和塑性高达 2300MPa、13.5%。这是因为界面处形成了连续的 Ti(C,N) 层, 抑制了界面处元素的相互扩散 , 避免了 Ti 层及界面的脆化。此外 ,Ti(C,N) 本身具有高的强度 , 再结合 Ti 层的高塑性 , 这种层状体系也使强韧性提高。对比 ODS钢的几种强韧化方法 , 即基体 N元素、Ta 层、Ti 层的强韧化以及它们的复合强韧化 , 我们发现 , 层状强韧化的效果比基体 N 元素的强韧化效果更好。无论N元素含量多少 ,ODS/Ta 的强韧性均显著优于对应的纯 ODS钢。对于 Ti 层, 只有在 N含量高时 , 比如 0.5%N时才会产生很好的

6、强韧化效果。总体而言 , 从增韧效果和稳定性来看 ,N-ODS/Ta 层状复合材料更满足聚变堆结构材料的使用要求。 (4) 采用 Ta 片对 W进行了强韧化 , 并揭示了钽钨层厚比 tTa/W 对 W(层片 )/Ta( 层片 ) 层状材料强韧化机制的影响。结果表明 ,W/Ta 相对于 W/W层状复合材料展现出更优异的强度和韧性 , 且复合材料的韧性随着 tTa/W 的增加而显著增加 ,tTa/W 为 1 和 1.3 时,W/Ta 的三点弯曲强度和应变率分别高达 681 MPa-5.4%,638MPa-8.8%。W/W主要通过裂纹偏转和 W的塑性变形增韧。W/Ta中 Ta的引入还能利用界面开裂、

7、 Ta的桥联作用和塑性变形增韧。对 W/Ta材料 ,tTa/W<0.62 时,W/Ta 复合材料展现出宏观单裂纹扩展形式 ;tTa/W 0.62 时, 复合材料展现出多重裂纹的扩展形式。多重裂纹的形成分散了损伤 , 极大地增加了韧性。 (5) 在 W/Ta的基础上开发出了具有良好高温力学性能的 W/TiN/Ta 体系层状材料 , 并有望在 W层状体系中同时实现阻氘氚功能。 tTa/W=1 时 ,W/TiN/Ta 和 W/TiN(Ti)/Ta 的三点弯曲强度和应变率分别高达 1200MPa-3.3%和1350MPa-3.5%,强度显著高于 W/Ta,应变率减小。它们的最大拉伸强度分别为 612MPa和 635MPa;塑性在 400-600 达到最大 , 分别约为11%和 12.5%, 而且强度也均超过 500MPa。这说明界面处的 Ti 进一步提高了 W/TiN/Ta 的强韧性。DBTT大约都在 200-300 左右。同时 ,我们也揭示了复合材料的强韧化机制。除了层厚比外, 界面性质也对复合材料的断裂机制产生重要影响。与 W/Ta层状体系对比 ,W/TiN/Ta体系层状复