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文檔簡介
1、受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)能是未來最有前途的能源之一。然而如何有效地利用這種聚變能,還有許多技術(shù)難題有待解決。聚變反應(yīng)堆第一壁材料的選擇和制備,正是其中的關(guān)鍵問題之一。鎢和奧氏體不銹鋼均是核聚變反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)第一壁材料的理想備選材料,其中W因其優(yōu)異的熱導(dǎo)率、低的熱膨脹系數(shù)、強熱沖擊抗力、良好高溫強度、低濺射率、高濺射閾值和低氚滯留特性而被公認(rèn)為是面向高溫等離子體的最理想材料。然而,因其在低溫下的材料脆性,鎢必須由其它具有低溫韌性的結(jié)構(gòu)材料支撐才能有效
2、發(fā)揮作用。而奧氏體不銹鋼則是最為理想的第一壁結(jié)構(gòu)支撐材料之一。因此,鎢與不銹鋼的結(jié)合及材料制備自然成了第一壁材料研究中的一個重要課題。
目前,鎢與鋼的連接主要采用釬焊與固相擴(kuò)散焊。前者往往會因釬料過渡層的加入而影響接頭性能,后者則會因鎢與鋼之間的熱物理參數(shù)差異大而產(chǎn)生熱配錯(熱應(yīng)力)。本文旨在以316L不銹鋼粉和鎢粉為原料,通過采用機(jī)械合金化(簡稱MA)和放電等離子體燒結(jié)(簡稱SPS)技術(shù),制備出316L/W梯度功能復(fù)合材料(
3、FGM);作為對比,還采用傳統(tǒng)熔鑄工藝制備316L/W金屬基復(fù)合材料(MMC),并做了相關(guān)測試和分析,以期為最終開發(fā)和制備具有實際應(yīng)用價值的第一壁材料積累一些理論和實驗基礎(chǔ)。
首先,將不同配比的316L/W粉體進(jìn)行機(jī)械混合或機(jī)械預(yù)合金化處理;其次,利用 SPS在1050℃*45.5MPa*3min的工藝下燒結(jié)出致密的梯度復(fù)合材料316L/316L-50W/W、在1050℃*45.5MPa*5min的工藝下燒結(jié)出致密的梯度復(fù)合材
4、料316L/316L-20W/316L-50W/316L-80W/W;在1550℃、分別保溫1min、3mins、5mins下,熔鑄制備316L/W顆粒增強復(fù)合材料;最后,通過OM、XRD、SEM、EDS等測試手段,對球磨粉體和復(fù)合材料的微觀形貌、界面物相、元素成分、硬度和耐磨性進(jìn)行表征。結(jié)果表明:隨著球磨時間的增加,W顆粒逐漸細(xì)薄且光滑,部分 W顆粒碎屑聚集或鑲嵌在嚴(yán)重塑性變形的316L顆粒之上。在梯度材料316L/316L-50W/
5、W中,過渡層的硬度值處于316L與W的硬度值之間;短時球磨中間層的界面硬度呈平緩過渡,過長時間球磨的中間層的界面出現(xiàn)硬度突變;適度的預(yù)合金工藝更有利于燒結(jié)完整、無孔隙和平緩過渡的梯度材料。
在梯度材料316L/316L-20W/316L-50W/316L-80W/W中,W顆粒與316L基體的界面出現(xiàn)灰色過渡(適配)層,其厚度隨粉體球磨時間增加而增寬,適配層主要含有Fe7W6, Fe3W3C和Fe2W等金屬間化合物。控制球磨預(yù)合
6、金化時間能獲得界面結(jié)合強度高、燒結(jié)缺陷少、性能梯度變化的復(fù)合材料。
對熔鑄316L/W復(fù)合材料的微觀表征發(fā)現(xiàn),316L/W界面結(jié)合強度弱且孔隙較多;隨著高溫保溫時間的增加,硬脆相增多且偏聚嚴(yán)重。W顆粒增強相提高了316L基體的摩擦系數(shù)并改變了摩擦機(jī)制;但受固液界面顆粒推移和擴(kuò)散反應(yīng)影響,W顆粒發(fā)生著動態(tài)溶解、擴(kuò)散和偏聚析出,難以獲得形狀規(guī)則完整的增強相。
相比熔鑄工藝,借助MA工藝的SPS燒結(jié)更容易實現(xiàn)對316L/W
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