研究人员揭示了钨复合材料中高热负荷的疲劳损伤机制

中国科学院合肥物质科学研究院(HFIPS)的合作研究团队最近研究了电子束热加载后两种具有代表性的第二相弥散强化钨材料的微观结构演变与性能退化之间的关系。

相关研究发表在《材料科学与技术》杂志上。

人类生存的最佳环境是25℃。然而，磁约束核聚变装置中面向等离子体的钨(W)材料直接暴露在高温等离子体中，通常承受5–20MW/m2的稳态热负荷和~1GW/m2，可将钨的表面温度提高到1800℃以上。W的高热通量负载会导致一些不可逆的材料损坏，例如表面粗糙、开裂和表面熔化。因此，对W材料的耐热负荷性能进行评估迫在眉睫。

在这项研究中，研究人员对电子束设备30kW电子束材料研究平台(EBMP-30)进行了重复热负荷。该平台专门用于评估面向等离子体材料(PFM)的抗热震性。

“它采用了30kW的焊接电子束，最大加速电压为100kV，”参与搭建该平台的谢卓明解释说，“它可以扫描30×30mm2的区域，最大帧率为35kHz，其脉冲持续时间可以从100毫秒变为连续状态。”

基于EBMP-30器件，选择了两种具有代表性的W-0.5wt%ZrC(WZC)和W-1.0wt%Y2O3(WYO)复合材料来研究重复稳态热载荷引起的损伤行为，吸收功率密度(APD)在10–30MW/m2范围内。

结果表明，当APD≤20MW/m2时，WZC和WYO试样的显微组织和拉伸性能没有明显变化。然而，当APD≥22MW/m2时，检测到WYO样品中的完全再结晶和晶粒长大以及从W基体脱落的Y2O3颗粒。

此外，WYO的极限抗拉强度和总伸长率分别从861MPa下降到510MPa，从15%下降到接近零。

“由于Y2O3相和W的热膨胀系数(CTE)不同，W基体会发生不可逆的塑性变形，尤其是在粗Y2O3颗粒周围，”团队负责人吴学邦说。,“这导致Y2O3粒子和W矩阵之间的界面脱粘。”

在22MW/m2的热负荷后，WZC试样由于其高再结晶温度(~1300℃)而保持了816MPa的高极限抗拉强度。

“ZrC颗粒的精细均匀分布及其与W基体相当的CTE，”Wu补充道，“这有效地避免了ZrC颗粒脱落和微裂纹的形成。”

“这项研究揭示了两种具有代表性的第二相弥散强化钨材料的微观结构演化与性能退化之间的相关性，以及高热载荷引起的疲劳损伤机理，”吴说，“这为进一步研究提供了重要参考。开发高性能钨材料。”