增韌阻氚一體化層狀鎢基復(fù)合材料的制備與研究.pdf

1、鎢與核聚變堆中的等離子體具有良好的兼容性，同時(shí)鎢本身還具有高的高溫強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、高自濺射閾值、不與氚發(fā)生共沉積以及低的腐蝕率等特點(diǎn)，因而被認(rèn)為是核聚變反應(yīng)堆中最具前途的一類(lèi)面向等離子體第一壁結(jié)構(gòu)材料。但純鎢材料具有高脆性，在瞬態(tài)熱沖擊下極易發(fā)生脆性開(kāi)裂；同時(shí)鎢材料內(nèi)氘氚燃料的滲透和滯留也是第一壁材料及聚變堆系統(tǒng)面臨的重大難題。
　　本課題組自主設(shè)計(jì)了增韌阻氚一體化層狀鎢基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)體系，擬在鎢材料中同時(shí)實(shí)現(xiàn)增韌和阻氚

2、的功能。本文根據(jù)該設(shè)計(jì)理念，主要研究了兩部分內(nèi)容，包括阻氚TiN涂層和TiAlN涂層的制備技術(shù)、表征方法和阻氫性能研究，以及層狀鎢基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)性能研究。
　　通過(guò)磁控濺射法在不同N2流量及陰極電流的條件下制備了5種TiN涂層。研究發(fā)現(xiàn)TiN涂層的晶粒尺寸、N/Ti原子比及晶體取向會(huì)隨著工藝條件的改變而發(fā)生規(guī)律性的變化，涂層均表現(xiàn)出金字塔狀的晶粒，并且沿（111）或（200）晶面取向生長(zhǎng)。然而磁控濺射法制備的TiN涂層

3、的納米硬度和彈性模量都比較低，其抗氧化性能也較差，在300℃時(shí)就發(fā)生了少量氧化，到500℃時(shí)則已發(fā)生明顯的氧化。
　　另外通過(guò)電弧離子鍍的方法分別制備了TiN和TiAlN涂層。兩種涂層的微觀(guān)組織均較致密，并且具有較高的納米硬度和彈性模量。TiN涂層的納米硬度和彈性模量略低于TiAlN涂層，但卻遠(yuǎn)高于磁控濺射法制備的TiN涂層。電弧離子鍍制備的兩種涂層均具有優(yōu)異的抗氧化性能，TiN涂層在700℃才開(kāi)始發(fā)生氧化，而TiAlN涂層直到9

4、00℃才開(kāi)始發(fā)生少量的氧化。
　　對(duì)以上幾種TiN涂層以及TiAlN涂層分別進(jìn)行了電化學(xué)氫滲透測(cè)試。結(jié)果表明，（111）擇優(yōu)取向的TiN涂層比（200）擇優(yōu)取向的TiN涂層具有更好的阻氫效果，即（111）擇優(yōu)取向有利于提升TiN涂層的阻氫性能；雙面TiN涂層的阻氫效果遠(yuǎn)優(yōu)于單面 TiN涂層，即增加涂層層數(shù)可以大幅提高材料的阻氫性能；TiAlN涂層則具有與強(qiáng)烈的（111）擇優(yōu)取向的TiN涂層不相上下的優(yōu)異的阻氫性能。
　　采用

5、SPS燒結(jié)的方法制備了W/W、W/Ta、W/TiAlN/Ta及四種W/TiN/Ta復(fù)合材料，并分別測(cè)試了其拉伸和彎曲性能。結(jié)果表明，相對(duì)于W/W復(fù)合材料，W/Ta復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度均有了明顯的提升，并且韌性也有極大的提升；W/TiN/Ta復(fù)合材料的韌性相比于W/Ta復(fù)合材料雖然略有下降，但拉伸和彎曲強(qiáng)度則有了進(jìn)一步的提升；W/TiAlN/Ta復(fù)合材料的韌性和強(qiáng)度都很差，相比于 W/Ta復(fù)合材料均發(fā)生了大幅的下降。即 TiAlN涂層

6、作為鎢鉭之間的過(guò)渡層不僅無(wú)法增加其強(qiáng)度，反而會(huì)大幅損害其韌性；而 TiN涂層作為鎢鉭之間的過(guò)渡層雖然會(huì)略微損害其韌性，但能大幅提升其強(qiáng)度。此外，W/TiN/Ta復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度均隨著界面TiN涂層（111）面織構(gòu)系數(shù)的增加而增加，即具有（111）擇優(yōu)取向的界面 TiN涂層更有利于W/TiN/Ta強(qiáng)度的提升。層狀W/Ta復(fù)合材料的增韌強(qiáng)化機(jī)制主要是界面脫粘和裂紋偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生能量消耗以及Ta的大量塑性變形和Ta片的橋聯(lián)作用。而TiN涂層