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1、核聚变堆关键材料的强韧化研究氧化物弥散强化钢(ODS)具有优异的高温性能和抗辐照性能,是聚变堆最佳的包层结构材料备选材料之一。钨具有高熔点、高热导率、高溅射阈值、低氚滞留、与等离子体良好的兼容性等优点成为最具潜力的面向等离子体材料。但脆性严重制约了这两类材料的应用和发展。针对这两种材料共有的脆性问题,本论文主要采用层状增韧技术对它们进行了强韧化研究。主要结论如下所述:(1)首先,我们对N-RAFM钢进行了研究,Ti、V、N合金元素含量的增加都能使钢的组织细化,但Ti含量过高会导致析出物尺寸增加。优化的二次淬火-回火
2、热处理能显著细化钢的组织,并降低DBTT。但N-RAFM钢的DBTT随着Ti含量的增加而升高,这是因为Ti促进了有害的方形碳氮化物(Ti,V)(C,N)的形成。二次淬火-回火处理下,含Ti的N-RAFM钢的DBTT在-47℃～-40℃范围内,但仍远低于室温。而且Ti、N的加入细化了组织,在钢中形成大量稳定的纳米氮化物析出物,而辐照下更稳定的组织和DBTT比更低的初始DBTT更重要。(2)在N-RAFM钢的基础上,我们对ODS钢基体进行了N强韧化研究。N可以细化晶粒,并得到大量与基体亲润性良好的纳米碳氮化物析出物和氮
3、化物包覆氧化物的颗粒,改善了析出物与基体的亲润性。同时,ODS钢双峰的晶粒尺寸分布和大量纳米Y-Ti-O析出物,使得N-ODS钢具有较高的强度和塑性,例如0.2N-ODS钢的强度和塑性高达934MPa、11%。N含量继续增大到0.5%时,细晶含量增加,析出物和被析出物钉扎的位错密度也增加,使0.5N-ODS钢的强度高达1310MPa,塑性降低至7.1%。过量的N使钢中形成了大颗粒的球形CrVTiN复合氮化物,并减少了细小的MX相析出物,也导致了0.5N-ODS钢的塑性降低。但不会像N-RAFM钢一样形成有害的粗大的
4、方形(Ti,V)(C,N)析出物,严重损害韧性。(3)然后,我们分别采用Ta片、Ti片对ODS钢进行了层状增韧研究。结果表明:Ta增韧层的存在能显著提高ODS钢的强度和塑性,0.2N-ODS/Ta的强度和塑性高达1390MPa、13.6%。虽然ODS钢基体与Ta增韧层的强界面限制了Ta增韧层的塑性变形以及界面开裂,但层状体系提高了层状复合材料的缺陷抗性,延缓了ODS基体的断裂失效。同时,裂纹在Ta内部偏转,Ta的开裂和拔出,以及Ta的微量塑形变形都会消耗能量,改善强韧性。对于ODS/Ti层状复合材料,只有N含量较高
5、时,才具有很好的强韧化效果,例如0.5N-ODS/Ti强度和塑性高达2300MPa、13.5%。这是因为界面处形成了连续的Ti(C,N)层,抑制了界面处元素的相互扩散,避免了Ti层及界面的脆化。此外,Ti(C,N)本身具有高的强度,再结合Ti层的高塑性,这种层状体系也使强韧性提高。对比ODS钢的几种强韧化方法,即基体N元素、Ta层、Ti层的强韧化以及它们的复合强韧化,我们发现,层状强韧化的效果比基体N元素的强韧化效果更好。无论N元素含量多少,ODS/Ta的强韧性均显著优于对应的纯ODS钢。对于Ti层,只有在N含量高
6、时,比如0.5%N时才会产生很好的强韧化效果。总体而言,从增韧效果和稳定性来看,N-ODS/Ta层状复合材料更满足聚变堆结构材料的使用要求。(4)采用Ta片对W进行了强韧化,并揭示了钽钨层厚比tTa/W对W(层片)/Ta(层片)层状材料强韧化机制的影响。结果表明,W/Ta相对于W/W层状复合材料展现出更优异的强度和韧性,且复合材料的韧性随着tTa/W的增加而显著增加,tTa/W为1和1.3时,W/Ta的三点弯曲强度和应变率分别高达681MPa-5.4%,638MPa-8.8%。W/W主要通过裂纹偏转和W的塑性变形增
7、韧。W/Ta中Ta的引入还能利用界面开裂、Ta的桥联作用和塑性变形增韧。对W/Ta材料,tTa/W<0.62时,W/Ta复合材料展现出宏观单裂纹扩展形式;tTa/W≥0.62时,复合材料展现出多重裂纹的扩展形式。多重裂纹的形成分散了损伤,极大地增加了韧性。(5)在W/Ta的基础上开发出了具有良好高温力学性能的W/TiN/Ta体系层状材料,并有望在W层状体系中同时实现阻氘氚功能。tTa/W=1时,W/TiN/Ta和W/TiN(Ti)/Ta的三点弯曲强度和应变率分别高达1200MPa-3.3%和1350MPa-3
8、.5%,强度显著高于W/Ta,应变率减小。它们的最大拉伸强度分别为612MPa和635MPa;塑性在400℃-600℃达到最大,分别约为11%和12.5%,而且强度也均超过500MPa。这说明界面处的Ti进一步提高了W/TiN/Ta的强韧性。DBTT大约都在200℃-300℃左右。同时,我们也揭示了复合材料的强韧化机制。除了层厚比外,界面性质也对复合材料的断
