Tungsten南华大学龚学余团队与核工业西南物理研究院刘翔团队：旋锻纯钨、钨钾合金和W-La2O3合金的热冲击性能对比

     2024年04月24日

摘要

钨是聚变堆面对等离子体的热门候选材料，但在瞬态热冲击下，钨表面仍然会出现开裂、塑性变形、局部融化以及颗粒脱落等损伤行为，从而影响材料和部件的使用寿命以及威胁等离子体的稳态运行。近年来，国内外通过弥散强化、钾泡强化、热塑性加工等手段来提升钨材料的性能，特别是旋锻制备的钨基材料具有优异的力学性能，但是这些材料耐受瞬态热冲击性能还缺乏系统研究。鉴于此，南华大学（龚学余教授团队）与核工业西南物理研究院（面向等离子体材料与部件课题组，刘翔研究员团队）在Tungsten上发表题为“Comparison of thermal shock resistance capabilities of the rotary swaged pure tungsten, potassium-doped tungsten, and W-La₂O₃alloys”的研究性文章，利用60kW电子束热负荷实验平台（EMS-60）模拟了边缘局域模瞬态高热负荷，对高温旋锻工艺制备的纯钨、钨钾合金（W-K）以及W-La₂O₃合金进行了详细的耐热冲击性能对比。结果表明相同旋锻工艺制备的不同组分钨基材料，存在较大的耐热冲击性能差异；旋锻W-K和W-La₂O₃的耐热冲击性能显著优于纯钨材料，尤以W-K材料性能更加优异。

 

图文详情

本文使用的纯W和W-La₂O₃、W-K合金材料均来自于核工业西南物理研究院，采用粉末冶金和高温旋锻方法制得，其中W-La₂O₃合金材料中的La₂O₃颗粒质量分数为1%，W-K材料中K含量为30ppm。旋锻工艺制备的钨基材料，会在径向呈现纤维状织构，使材料强度大幅提高。鉴于在材料的实际使用过程中，钨材料的晶粒取向应与热流传导方向一致，即横截面直接面向高温等离子体，因此本文采用三种钨基材料的横截面进行瞬态热冲击对比实验，采用电火花线切割机将所有种类的材料沿着径向横截面切割成厚度为3mm的样品，通过砂纸打磨和机械抛光至镜面，再利用退火炉（真空度＜1×10-4pa）在1273K下退火一个小时，以去除材料表面的残余应力和残留的气体。电解抛光后采用EBSD观察到材料横截面,如图1所示，可以清楚的看出这些钨基材料经过旋锻加工后，在横截面出现[110]取向择优，晶粒尺寸方面，纯W晶粒平均尺寸稍大于W-K和W-La₂O₃合金。

图1 旋锻纯钨、W-K、W-La₂O₃合金的EBSD图（IPF Z）

图2和图3为共聚焦显微镜测试的热冲击后样品表面形貌演化以及相关数据统计图。可以较清晰的看出在0.22GW/m²的低功率密度条件下，三种钨材料表面均出现了微裂纹，随着热冲击功率密度的增加三种材料的裂纹扩展均出现了显著的增加。纯钨材料在0.22GW/m²的功率密度下，表面相对其它两种材料产生了更多的微裂纹，在0.55GW/m²功率密度下，材料表面出现了严重的塑性变形。W-K材料在0.22 GW/m²的功率密度下，相对其它两种材料不论是裂纹宽度还是表面粗糙度都较低。随着热冲击功率增加，W-K材料各项指标表现更加优异，W-La₂O₃材料整体介于纯钨和W-K材料之间。

图2 纯钨、W-K、W-La₂O₃在不同吸收功率密度下的表面形貌图

图3 纯钨、W-K、W-La₂O₃在不同吸收功率密度下的表面粗糙度（a）、裂纹宽度统计（b）和裂纹面积占比统计

图4展示了在0.33GW/m²的瞬态热冲击功率下，三种钨材料表面形貌图。随着热冲击循环次数增加，三种钨材料表面均发生了严重的塑性变形，各项表征指标均出现上升趋势。纯钨材料随着热冲击次数的增加，表面粗糙度、裂纹面积比、主裂纹宽度显著增加；经过1000次热冲击，其主裂纹平均宽度增加到22.29±4.19μm，可见开裂情况非常严重。而W-K和W-La₂O₃材料虽然在各项指标的上升幅度明显低于纯钨材料。其中W-K材料在1000次热冲击下材料表面损伤指标要低于纯钨和W-La₂O₃在500次热冲击后的各项指标，见表1。

图4  纯钨、W-K、W-La₂O₃在0.33GW/m²吸收功率密度下100-1000热冲击次数后的表面形貌图

图5 表1 三种材料不同热冲击重复次数下的各项指标

 

总结与展望

本工作研究了相同高温旋锻工艺制备纯钨、W-K和W-W-La₂O₃材料的横截面耐瞬态热冲击能力。详细对比了100-1000次的边缘局域模瞬态热负荷条件下材料的表面形貌变化、裂纹宽度、裂纹占比和裂纹深度的差异。相对于旋锻纯钨和W-W-La₂O₃材料，W-K材料具有更优异的耐热冲击性能。上述三种钨材料的耐瞬态高热负荷性能对比研究，可以为未来聚变堆先进钨基面向等离子体材料的设计与研发提供参考。

 

引用

Yang, T., Wang, H., Feng, F. et al. Comparison of thermal shock resistance capabilities of the rotary swaged pure tungsten, potassium-doped tungsten, and W-La2O3 alloys. Tungsten (2024).

 

全文链接

https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-024-00270-4