高性能氧化物弥散强化钨基合金的制备、物性及弥散颗粒细化机理

Tungsten-based alloys are considered as the most potential candidates that can be applied in the high temperature environment of future fusion reactor, however the intrinsic brittleness of the commercial pure tungsten limited such application. Oxide dispersion strengthening (ODS) is one of the most effective methods to improve the toughness of W-based alloys, but the relatively large oxide particles decrease the capability of ODS-W in toughness enhancement. In order to settle such problem, this project is to fabricate ODS-W alloys (W-Ti/Zr-Y2O3) with oxide particle size less than 10 nm via processes such as mechanical alloying, pre-thermal treatment, sintering, and hot rolling and annealing, according to the mechanism of solution-precipitation in the ODS-Fe that controls the oxide particle size being less than 3 nm. It is to investigate the evolution of oxide particle size and distribution with the milling and thermal treating parameters, to elucidate the refining mechanism of oxide particles, to characterize the mechanical properties, high-load heat shock resistance, and irradiation resistance, and to clarify the mechanism of properties enhancement of the ODS after size refinement. The achievements of this project will afford scientific basis for the ODS-W to be applied in future fusion reactor and provide new method for research and development of other materials with high strength and high toughness.

钨基合金被认为是最有潜力的能够应用于聚变反应堆高温环境的材料，但商业纯钨的脆性极大地限制了其应用。氧化物弥散强化（ODS）是改善钨基合金韧性的有效途径之一，但目前的ODS-W中氧化物颗粒尺寸较大，达不到理想的强韧化效果。针对这一问题，本项目将以W-Ti(Zr)-Y2O3体系为研究对象，借鉴ODS-Fe中采用固溶-沉淀机制将氧化物颗粒尺寸控制在3nm以下的经验，通过机械合金化、预退火处理、致密化烧结以及随后的热轧和退火处理，制备出氧化物颗粒尺寸在10nm以下的钨基块体材料。研究氧化物颗粒的尺寸和分布随球磨参数和热处理参数的演化规律，阐明氧化物颗粒的细化机理。表征材料的力学性能，抗高热负荷冲击性能和抗辐照性能，阐明氧化物颗粒尺寸减小后ODS-W基材料性能优化的物理本质。项目研究成果将为钨基材料在未来聚变反应堆的应用提供科学依据，也为其他高强韧材料的研发提供新思路。

钨基合金被认为是最有潜力的能够应用于聚变反应堆极端环境的面向等离子体第一壁材料，但商业纯钨的脆性极大地限制了其应用。氧化物弥散强化（ODS）是改善钨基合金韧性的有效途径之一，但目前的ODS-W中氧化物颗粒尺寸较大，达不到理想的强韧化效果。针对这一问题，本项目借鉴ODS-Fe中采用固溶-沉淀机制将氧化物颗粒尺寸控制在3 nm以下的经验，通过高能球磨（机械合金化）和压力辅助低温致密化烧结的办法成功制备了双纳米结构钨材料。首先通过高能球磨将Y2O3和Ti“固溶”到W基体中，然后采用放电等离子烧结技术对高能球磨后的W-1.0%Y2O3-0.7%Ti粉体进行致密化烧结，通过严格控制烧结温度使得纳米尺度Y2Ti2O7颗粒析出，并均匀弥散分布于钨基体中，这些细小的第二相纳米颗粒抑制钨晶粒长大，最终制备出双纳米结构（即纳米晶粒和弥散的纳米颗粒）W-1.0%Y2O3-0.7%Ti块体合金材料。XRD和TEM结果显示，W晶粒的平均尺寸为67 nm，氧化物颗粒在晶内和晶界的平均粒径分别为8.5 nm和16.4 nm。这种纳米结构的W合金的显微维氏硬度高达1441 HV，是文献报道的普通W合金的2-3倍。极高的显微硬度，来源于纳米级W晶粒和均匀分散的纳米氧化物颗粒的协同强化作用。这种固溶-析出过程为通过可控方式分散纳米级氧化物制备纳米晶难熔金属提供了一条通用途径。.双纳米结构钨合金的硬度在1200℃保温15h基本保持不变，具有较好的热稳定性能，表明纳米氧化物颗粒和纳米级钨晶粒在1200℃退火时仍能保持稳定。模拟聚变环境中高热负荷的工作环境，表征了双纳米结构钨合金抗热冲击性能，发现热导率和韧性是影响纳米晶钨合金抗热冲击性能的主要原因。