稀土金属改性纳米TiC颗粒弥散钨合金的湿化学法制备及其强韧化机理研究

Tungsten has been considered as a promising candidate material used as plasma facing material due to its highest melting point, excellent thermal shock and irradiation resistance. Currently, the study that to adopting single method to strengthening and toughening tungsten alloy has reached a bottleneck. It is urgent to develop new material design concepts and methods to further improve the performance of tungsten. In this project, we innovatively propose a new material design concept which includes the use of wet chemical method to introduce rare earth metals into tungsten to purify the interfaces of tungsten, optimizing the interfaces between carbide particles and tungsten matrixes, and the use of core-shell structures. The strengthening and toughening mechanisms of tungsten alloys by microstructure design and interface control are systematically studied. The relationship between the microstructure and interface structure of tungsten and the strength and toughness of tungsten alloys is investigated in order to establish the relevance of "microstructure and interface structure-toughness of tungsten alloys-mechanism", which can largely contribute to provide fundamental supports for preparing the tungsten alloys with high strength and toughness and subsequently tune the toughness of the tungsten alloys.

钨具有高熔点、高的抗热冲击和辐照性能而被认为是理想的面向等离子体材料。然而，金属钨的脆性限制了其商业化应用。因此，金属钨的强韧化研究对于聚变堆的发展具有重要的战略意义。目前采用单一的钨合金强韧化方法已经达到了研究瓶颈，急需开发新的材料设计理念和方法以进一步提高钨的性能。本项目创新性的提出采用湿化学法，向钨中引入稀土金属来调控钨晶界，同时优化碳化物颗粒与钨基体之间的界面结构以及核壳结构协同韧化钨合金的设计新思路。研究显微组织和界面调控对钨合金的强韧化作用机理。探讨显微组织和界面结构与钨合金的强度和韧性之间的构效关系，研究钨合金的强韧化机理，建立“材料的显微组织和界面结构—钨合金韧性—机理”的关联性，揭示湿化学法对钨合金显微组织和界面的调控机制和途径，为制备高强韧性钨合金及对其强韧性调控提供理论支持。

钨具有高熔点、高的抗热冲击和辐照性能而被认为是理想的面向等离子体材料。然而，金属钨的脆性限制了其商业化应用。因此，金属钨的强韧化研究对于聚变堆的发展具有重要的战略意义。目前采用单一的钨合金强韧化方法已经达到了研究瓶颈，急需开发新的材料设计理念和方法以进一步提高钨的性能。本项目：1）通过新开发的湿化学法制备了不同含量的氧化钇和氧化镧颗粒弥散强化钨合金材料，研究了不同种类和含量的第二相稀土氧化物颗粒对钨合金显微组织和力学性能的影响，获得了稀土金属氧化物掺杂钨合金的制备工艺、钨合金的显微组织和力学性能之间的影响关系。2）通过新型球磨加低温氢还原法制备了稀土氧化物颗粒和纳米TiC颗粒掺杂钨合金材料，研究了不同的稀土金属氧化物含量和纳米TiC含量对钨合金的显微组织和力学性能的影响，获得了第二相强化颗粒的含量、尺度和分布状态对钨合金的显微组织和力学性能的影响规律。3）基于以上结果，通过新开发的粉末冶金工艺制备了大批量钨合金粉末，并进行了烧结和热加工，得到了大尺寸的稀土金属氧化物和纳米TiC协同弥散强化钨合金，通过对其显微组织和强韧性能进行研究，实验结果显示钨合金具有优异的强韧性能，韧脆转变温度最低达到了约75℃。4）采用化学掺杂法制备了大批量的钾掺杂钨粉末，经高温烧结和轧制后得到了大尺寸的钾掺杂钨块体，研究显示其具有优异的强韧性能，并得到了钾掺杂钨合金的显微组织和力学性能之间的关系。5）通过对钨材料进行不同剂量的氦离子辐照，研究了钨在不同氦离子辐照条件下表面形貌的变化及钨晶粒的晶体取向对辐照性能的影响，得到了钨晶粒损伤类型和氦离子剂量、不同钨晶粒取向和辐照抗性之间的关系。通过本项目的研究，开发了一种能够制备高强韧性钨合金的新型粉末冶金工艺，并显著提高了钨合金的性能并降低了其韧脆转变温度，这对于高性能钨合金的发展具有重要意义。