钨纤维增韧钨-碳化锆复合材料的制备及其抗高热负荷冲击性能研究

Tungsten based material is the most promising candidate of the Chinese-ADS spallation target materials (tungsten granular flow target: a lot of flowable tungsten pellets) and the plasma facing materials in fusion reactor. However, owing to the high DBTT of tungsten materials, the collision caused by granular flow in ADS and the high heat load in fusion reactor would easily lead to abrasion and fragmentation of the tungsten materials. Therefore, how to further improve the low-temperature toughness and strength of tungsten materials is the key issue needed to be addressed. Tungsten fiber reinforcement is considered as one effective toughing way, so this project intends to adopt powder metallurgy method to design and prepare tungsten fiber reinforced W-ZrC-Wf composites with low DBTT and high thermodynamic stability, through the optimization of sintering process and fiber content. And on this basis, systematically study the effects of fiber content and aspect ratio on the high temperature mechanical properties and the high load heat shock resistance of the W-ZrC-Wf composites. The results of this project will provide scientific basis for application of such W-based materials as ADS granular flow target materials and the plasma facing materials.

钨基材料是我国ADS散裂靶材料（钨流固靶：大量具有流动性的钨小球）和聚变反应堆面向等离子体材料的最有潜力的候选者。但由于钨材料的韧脆转变温度（DBTT）偏高，ADS中高速流动引起的碰撞作用和聚变堆中的高热负荷极易导致钨材料磨损和开裂。因此，如何进一步提高钨材料的低温韧性和强度是钨基材料实际应用前需要解决的关键问题。由于钨纤维(Wf)增韧是提高材料强韧性的一种有效途径，为此，本项目拟采用粉末冶金方法, 通过烧结工艺与界面组分优化，设计和制备具有低DBTT和高热力学稳定性的Wf纤维增韧的W-ZrC-Wf复合材料。并在此基础上，系统研究钨纤维含量和长径比对钨材料高温力学性能和抗高热负荷冲击性能的影响与微观机理。项目研究成果将为该类钨基材料应用于ADS流固靶和面向等离子体材料提供科学依据。

钨是熔点最高的金属材料，被认为是最有潜力的能够应用于聚变反应堆(FR)和加速器驱动次临界核能系统(ADS)高温环境的材料之一，例如应用于FR面向等离子体部件或结构部件或ADS散裂靶部件。然而，纯钨具有明显的室温脆性、辐照脆化、热负荷开裂及辐照诱导氢滞留增加等缺陷, 限制了其作为散裂靶材料和聚变堆材料的实际应用。本项目为探寻改善钨材料低温脆性的有效途径，采用粉末冶金方法设计和制备了钨纤维和第二相弥散纳米颗粒协同强化的致密W-ZrC-Wf复合材料。通过微观结构和力学性能表征对颗粒与纤维的含量进行了优化，获得了适用于W-ZrC-Wf复合材料的最佳碳化锆颗粒含量约0.2%，纤维含量约20%，并揭示了第二相弥散颗粒和钨纤维各自的增韧机理以及两者协同作用范围。考察了复合材料在不同温度下的摩擦磨损行为，发现随着温度的升高复合材料的主导磨损方式由磨料磨损逐渐向粘着磨损和疲劳磨损转变，转变温度点基本对应于材料的韧脆转变温度。复合材料在0.13GW/m2, 0.64GW/m2和 1.27GW/m2三种功率密度下的耐瞬态热冲击性能研究表明，基体分别经历了孔洞，微裂和融化三种状态，而在低于融化功率密度时纤维均能保持完整结构，具有高的抗热冲击性能。