高性能氧化物弥散强化钨基合金的制备、物性及弥散颗粒细化机理

批准号:
11674319
项目类别:
面上项目
资助金额:
70.0 万元
负责人:
方前锋
依托单位:
学科分类:
A2002.凝聚态物质力热光电性质
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈莉、蒋燕、曾龙飞、苗澍、郑薇、王冉
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中文摘要
钨基合金被认为是最有潜力的能够应用于聚变反应堆高温环境的材料,但商业纯钨的脆性极大地限制了其应用。氧化物弥散强化(ODS)是改善钨基合金韧性的有效途径之一,但目前的ODS-W中氧化物颗粒尺寸较大,达不到理想的强韧化效果。针对这一问题,本项目将以W-Ti(Zr)-Y2O3体系为研究对象,借鉴ODS-Fe中采用固溶-沉淀机制将氧化物颗粒尺寸控制在3nm以下的经验,通过机械合金化、预退火处理、致密化烧结以及随后的热轧和退火处理,制备出氧化物颗粒尺寸在10nm以下的钨基块体材料。研究氧化物颗粒的尺寸和分布随球磨参数和热处理参数的演化规律,阐明氧化物颗粒的细化机理。表征材料的力学性能,抗高热负荷冲击性能和抗辐照性能,阐明氧化物颗粒尺寸减小后ODS-W基材料性能优化的物理本质。项目研究成果将为钨基材料在未来聚变反应堆的应用提供科学依据,也为其他高强韧材料的研发提供新思路。
英文摘要
Tungsten-based alloys are considered as the most potential candidates that can be applied in the high temperature environment of future fusion reactor, however the intrinsic brittleness of the commercial pure tungsten limited such application. Oxide dispersion strengthening (ODS) is one of the most effective methods to improve the toughness of W-based alloys, but the relatively large oxide particles decrease the capability of ODS-W in toughness enhancement. In order to settle such problem, this project is to fabricate ODS-W alloys (W-Ti/Zr-Y2O3) with oxide particle size less than 10 nm via processes such as mechanical alloying, pre-thermal treatment, sintering, and hot rolling and annealing, according to the mechanism of solution-precipitation in the ODS-Fe that controls the oxide particle size being less than 3 nm. It is to investigate the evolution of oxide particle size and distribution with the milling and thermal treating parameters, to elucidate the refining mechanism of oxide particles, to characterize the mechanical properties, high-load heat shock resistance, and irradiation resistance, and to clarify the mechanism of properties enhancement of the ODS after size refinement. The achievements of this project will afford scientific basis for the ODS-W to be applied in future fusion reactor and provide new method for research and development of other materials with high strength and high toughness.
钨基合金被认为是最有潜力的能够应用于聚变反应堆极端环境的面向等离子体第一壁材料,但商业纯钨的脆性极大地限制了其应用。氧化物弥散强化(ODS)是改善钨基合金韧性的有效途径之一,但目前的ODS-W中氧化物颗粒尺寸较大,达不到理想的强韧化效果。针对这一问题,本项目借鉴ODS-Fe中采用固溶-沉淀机制将氧化物颗粒尺寸控制在3 nm以下的经验,通过高能球磨(机械合金化)和压力辅助低温致密化烧结的办法成功制备了双纳米结构钨材料。首先通过高能球磨将Y2O3和Ti“固溶”到W基体中,然后采用放电等离子烧结技术对高能球磨后的W-1.0%Y2O3-0.7%Ti粉体进行致密化烧结,通过严格控制烧结温度使得纳米尺度Y2Ti2O7颗粒析出,并均匀弥散分布于钨基体中,这些细小的第二相纳米颗粒抑制钨晶粒长大,最终制备出双纳米结构(即纳米晶粒和弥散的纳米颗粒)W-1.0%Y2O3-0.7%Ti块体合金材料。XRD和TEM结果显示,W晶粒的平均尺寸为67 nm,氧化物颗粒在晶内和晶界的平均粒径分别为8.5 nm和16.4 nm。这种纳米结构的W合金的显微维氏硬度高达1441 HV,是文献报道的普通W合金的2-3倍。极高的显微硬度,来源于纳米级W晶粒和均匀分散的纳米氧化物颗粒的协同强化作用。这种固溶-析出过程为通过可控方式分散纳米级氧化物制备纳米晶难熔金属提供了一条通用途径。.双纳米结构钨合金的硬度在1200℃保温15h基本保持不变,具有较好的热稳定性能,表明纳米氧化物颗粒和纳米级钨晶粒在1200℃退火时仍能保持稳定。模拟聚变环境中高热负荷的工作环境,表征了双纳米结构钨合金抗热冲击性能,发现热导率和韧性是影响纳米晶钨合金抗热冲击性能的主要原因。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
The effect of Y2O3 addition on He desorption behavior and He bubble evolution in He-charged W-Y2O3 film
Y2O3的添加对He荷电W-Y2O3薄膜中He解吸行为和He气泡演化的影响
DOI:10.1016/j.tsf.2020.138184
发表时间:2020-09
期刊:Thin Solid Films
影响因子:2.1
作者:Wang Le;Hao Ting;Zhao Bang-Lei;Liu Rui;Fang Qian-Feng;Liu Chang-Song;Wang Xian-Ping;Cao Lei;Chen Jun-Ling
通讯作者:Chen Jun-Ling
The superior thermal stability and tensile properties of hot rolled W-HfC alloys
热轧 W-HfC 合金优异的热稳定性和拉伸性能
DOI:10.1016/j.ijrmhm.2019.02.018
发表时间:2019-06-01
期刊:INTERNATIONAL JOURNAL OF REFRACTORY METALS & HARD MATERIALS
影响因子:3.6
作者:Wang, Y. K.;Xie, Z. M.;Liu, C. S.
通讯作者:Liu, C. S.
Effects of ZrC content on the mechanical properties and microstructures of hot-rolled W-ZrC composites
ZrC含量对热轧W-ZrC复合材料力学性能和显微组织的影响
DOI:10.1016/j.nme.2019.100705
发表时间:2019-08-01
期刊:NUCLEAR MATERIALS AND ENERGY
影响因子:2.6
作者:Wang, R.;Xie, Z. M.;Liu, C. S.
通讯作者:Liu, C. S.
Fabrication of an ultrafine-grained W-ZrC-Re alloy with high thermal stability
高热稳定性超细晶W-ZrC-Re合金的制备
DOI:10.1016/j.fusengdes.2020.112208
发表时间:2021
期刊:Fusion Engineering and Design
影响因子:1.7
作者:B.L. Zhao;Z.M. Xie;R. Liu;H. Wang;M.M. Wang;L.F. Zhang;R. Gao;X.B. Wu;T. Hao;Q.F. Fang;C.S. Liu;T. Zhang;C.A. Chen
通讯作者:C.A. Chen
Helium desorption behavior and growth mechanism of helium bubbles in FeCrNi film
FeCrNi薄膜中氦解吸行为及氦气泡生长机制
DOI:10.1016/j.nme.2019.100710
发表时间:2019
期刊:Nuclear Materials and Energy
影响因子:2.6
作者:Wang L.;Wang X. P.;Zhang L. F.;Gao Y. X.;Liu R.;Gao R.;Jiang Y.;Hao T.;Zhang T.;Fang Q. F.;Liu C. S.
通讯作者:Liu C. S.
固溶(沉淀)/氧化物弥散协同强化钨合金的制备和抗热冲击性能研究
- 批准号:52173303
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:58万元
- 批准年份:2021
- 负责人:方前锋
- 依托单位:
纳米钨颗粒增强型铜合金的CARB法制备及强化和高热稳定性机理研究
- 批准号:51971213
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:60.0万元
- 批准年份:2019
- 负责人:方前锋
- 依托单位:
高稳定性纳米复合多层膜钨基块材的制备和抗辐照性能研究
- 批准号:11475216
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:96.0万元
- 批准年份:2014
- 负责人:方前锋
- 依托单位:
基于内耗和磁性测量的材料韧脆转变温度的无损检测原理和方法
- 批准号:11274305
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:90.0万元
- 批准年份:2012
- 负责人:方前锋
- 依托单位:
高稳定性钨基纳米复合材料的制备和性能表征及其抗辐照机理研究
- 批准号:11075177
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:47.0万元
- 批准年份:2010
- 负责人:方前锋
- 依托单位:
纳微尺度材料的内耗及模量测量装置的研制
- 批准号:10874185
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:50.0万元
- 批准年份:2008
- 负责人:方前锋
- 依托单位:
钼酸镧氧离子导体的纳米晶和纳米复合结构的制备与性能研究
- 批准号:50672100
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:30.0万元
- 批准年份:2006
- 负责人:方前锋
- 依托单位:
新型纳米复合超硬薄膜中界面及微裂纹的动力学行为研究
- 批准号:10274086
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:29.0万元
- 批准年份:2002
- 负责人:方前锋
- 依托单位:
新型氧离子导体钼酸镧的氧离子扩散及导电机理研究
- 批准号:10174083
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:20.0万元
- 批准年份:2001
- 负责人:方前锋
- 依托单位:
与位错和点缺陷有关的非线性滞弹性内耗的研究
- 批准号:59601008
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:14.0万元
- 批准年份:1996
- 负责人:方前锋
- 依托单位:
国内基金
海外基金
