核聚變堆關(guān)鍵材料的強韌化研究.pdf

1、氧化物彌散強化鋼（ODS）具有優(yōu)異的高溫性能和抗輻照性能，是聚變堆最佳的包層結(jié)構(gòu)材料備選材料之一。鎢具有高熔點、高熱導(dǎo)率、高濺射閾值、低氚滯留、與等離子體良好的兼容性等優(yōu)點成為最具潛力的面向等離子體材料。但脆性嚴重制約了這兩類材料的應(yīng)用和發(fā)展。針對這兩種材料共有的脆性問題，本論文主要采用層狀增韌技術(shù)對它們進行了強韌化研究。主要結(jié)論如下所述：
　　（1）首先，我們對N-RAFM（低活化鐵素體/馬氏體鋼）鋼進行了研究，Ti、V、N合金

2、元素含量的增加都能使鋼的組織細化，但Ti含量過高會導(dǎo)致析出物尺寸增加。優(yōu)化的二次淬火-回火熱處理能顯著細化鋼的組織，并降低DBTT。但N-RAFM鋼的DBTT隨著Ti含量的增加而升高，這是因為Ti促進了有害的方形碳氮化物(Ti,V)(C,N)的形成。二次淬火-回火處理下，含Ti的N-RAFM鋼的DBTT在-47℃～-40℃范圍內(nèi)，但仍遠低于室溫。而且 Ti、N的加入細化了組織，在鋼中形成大量穩(wěn)定的納米氮化物析出物，而輻照下更穩(wěn)定的組織和

3、DBTT比更低的初始DBTT更重要。
　　（2）在N-RAFM鋼的基礎(chǔ)上，我們對ODS鋼基體進行了N強韌化研究。N可以細化晶粒，并得到大量與基體親潤性良好的納米碳氮化物析出物和氮化物包覆氧化物的顆粒，改善了析出物與基體的親潤性。同時，ODS鋼雙峰的晶粒尺寸分布和大量納米Y-Ti-O析出物，使得N-ODS鋼具有較高的強度和塑性，例如0.2N-ODS鋼的強度和塑性高達934MPa、11％。N含量繼續(xù)增大到0.5%時，細晶含量增加，析出

4、物和被析出物釘扎的位錯密度也增加，使0.5N-ODS鋼的強度高達1310MPa，塑性降低至7.1%。過量的N使鋼中形成了大顆粒的球形CrVTiN復(fù)合氮化物，并減少了細小的MX相析出物，也導(dǎo)致了0.5N-ODS鋼的塑性降低。但不會像N-RAFM鋼一樣形成有害的粗大的方形(Ti,V)(C,N)析出物，嚴重損害韌性。
　?。?）然后，我們分別采用Ta片、Ti片對ODS鋼進行了層狀增韌研究。結(jié)果表明：Ta增韌層的存在能顯著提高ODS鋼的強

5、度和塑性，0.2N-ODS/Ta的強度和塑性高達1390MPa、13.6%。雖然ODS鋼基體與Ta增韌層的強界面限制了Ta增韌層的塑性變形以及界面開裂，但層狀體系提高了層狀復(fù)合材料的缺陷抗性，延緩了 ODS基體的斷裂失效。同時，裂紋在Ta內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，Ta的開裂和拔出，以及Ta的微量塑形變形都會消耗能量，改善強韌性。
　　對于ODS/Ti層狀復(fù)合材料，只有N含量較高時，才具有很好的強韌化效果，例如0.5N-ODS/Ti強度和塑性高達2

6、300MPa、13.5%。這是因為界面處形成了連續(xù)的Ti(C, N)層，抑制了界面處元素的相互擴散，避免了Ti層及界面的脆化。此外，Ti(C, N)本身具有高的強度，再結(jié)合Ti層的高塑性，這種層狀體系也使強韌性提高。
　　對比ODS鋼的幾種強韌化方法，即基體N元素、Ta層、Ti層的強韌化以及它們的復(fù)合強韌化，我們發(fā)現(xiàn)，層狀強韌化的效果比基體N元素的強韌化效果更好。無論N元素含量多少，ODS/Ta的強韌性均顯著優(yōu)于對應(yīng)的純ODS鋼。

7、對于Ti層，只有在N含量高時，比如0.5%N時才會產(chǎn)生很好的強韌化效果?？傮w而言，從增韌效果和穩(wěn)定性來看，N-ODS/Ta層狀復(fù)合材料更滿足聚變堆結(jié)構(gòu)材料的使用要求。
　　（4）采用Ta片對W進行了強韌化，并揭示了鉭鎢層厚比tTa/W對W（層片）/Ta（層片）層狀材料強韌化機制的影響。結(jié)果表明，W/Ta相對于W/W層狀復(fù)合材料展現(xiàn)出更優(yōu)異的強度和韌性，且復(fù)合材料的韌性隨著 tTa/W的增加而顯著增加，tTa/W為1和1.3時，W/

8、Ta的三點彎曲強度和應(yīng)變率分別高達681MPa-5.4%，638MPa-8.8%。W/W主要通過裂紋偏轉(zhuǎn)和W的塑性變形增韌。W/Ta中Ta的引入還能利用界面開裂、Ta的橋聯(lián)作用和塑性變形增韌。對W/Ta材料， tTa/W＜0.62時，W/Ta復(fù)合材料展現(xiàn)出宏觀單裂紋擴展形式；tTa/W≥0.62時，復(fù)合材料展現(xiàn)出多重裂紋的擴展形式。多重裂紋的形成分散了損傷，極大地增加了韌性。
　?。?）在W/Ta的基礎(chǔ)上開發(fā)出了具有良好高溫力學(xué)性

9、能的W/TiN/Ta體系層狀材料，并有望在 W層狀體系中同時實現(xiàn)阻氘氚功能。tTa/W=1時， W/TiN/Ta和W/TiN(Ti)/Ta的三點彎曲強度和應(yīng)變率分別高達1200MPa-3.3%和1350MPa-3.5%，強度顯著高于W/Ta，應(yīng)變率減小。它們的最大拉伸強度分別為612MPa和635MPa；塑性在400℃-600℃達到最大，分別約為11%和12.5%，而且強度也均超過500MPa。這說明界面處的Ti進一步提高了W/TiN/