简介概要

添加1%TiC和1%La2O3钨/铜FGM的性能研究

来源期刊：稀有金属2006年增刊第2期

论文作者：沈卫平葛昌纯张珂

关键词：W/Cu; FGM; TiC; La2O3; 层间剪切强度; 抗热冲击性能;

摘要：通过超高压力通电烧结制备了添加1%TiC和1%La2O3的W/Cu FGM,研究了其烧结、层间剪切强度及抗热冲击性能;此功能梯度材料气孔率在11%左右;在激光功率密度200 mW·m-2下,对此材料进行激光热冲击试验,冲击1000次,含1%La2O3钨-铜梯度材料表面没有损坏,而含1%TiC钨-铜梯度材料表面出现裂纹.并对此材料抗热冲击现象进行了简要分析.

稀有金属 2006,(S1),89-92 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.s1.022

添加1%TiC和1%La₂O₃钨/铜FGM的性能研究

沈卫平葛昌纯

北京科技大学核聚变材料研究中心特种陶瓷与粉末冶金实验室,北京科技大学核聚变材料研究中心特种陶瓷与粉末冶金实验室,北京科技大学核聚变材料研究中心特种陶瓷与粉末冶金实验室北京100083,北京100083,北京100083

摘要：

通过超高压力通电烧结制备了添加1%TiC和1%La2O3的W/Cu FGM, 研究了其烧结、层间剪切强度及抗热冲击性能;此功能梯度材料气孔率在11%左右;在激光功率密度200 mW.m-2下, 对此材料进行激光热冲击试验, 冲击1000次, 含1%La2O3钨-铜梯度材料表面没有损坏, 而含1%TiC钨-铜梯度材料表面出现裂纹。并对此材料抗热冲击现象进行了简要分析。

关键词：

W/Cu;FGM;TiC;La2O3;层间剪切强度;抗热冲击性能;

中图分类号： TG113.2

作者简介：葛昌纯 (E-mail:ccge@mater.ustb.edu.cn) ;

收稿日期：2006-06-25

Properties of W/Cu FGM Containing 1%TiC or 1%La₂O₃

Abstract：

W/Cu functionally gradient materials (FGMs) containing 1%La2O3 and 1%TiC respectively were prepared by a way of graded sintering under ultra-high pressure (GSUHP) .The specimens were measured to be low porosity (11.57% and 11.35% respectively) .Shearing strength of the specimens between layers is better.What′s more, the specimens still demonstrate good performance in testing thermal-shock resistance.When power density of laser is 200 mW·m-2, the specimens were tested by thermal-shock resistance (1000 times) , those who contained 1% La2O3 do not damage, but those who contained 1%TiC begin to crack.Finally, effect of additives on thermal-shock resistance was also preliminarily discussed.

Keyword：

W/Cu;FGM;TiC;La2O3;shearing strength; thermal-shock resistance;

Received： 2006-06-25

核聚变装置中面向等离子体材料 (Plasma Facing Materials, PFM) 是决定聚变能能否开发成功的关键材料之一。在发生等离子体破裂和垂直位移事件时, 暴露于高热流的PFM表面承受来自等离子体、高能中子等的冲刷, 而它的另一面必须被强制冷却。金属钨由于其高的抗等离子体冲刷能力, 最有希望用作聚变堆中等离子体与元件相互作用区域中的该类护墙材料 ^[1,2] 。

将一面是钨和另一面是铜结合在一起的复合材料将十分适合作为核聚变装置中的偏滤器材料 ^[1,2,3] 。但要将这两种性质相差很大的金属结合在一起有很大困难, 因为二者的热膨胀系数失配 (W: 4.5×10^-6/K; Cu: 17×10^-6/K) , 造成在制备和服役过程中W-Cu的界面上产生巨大的热应力, 进而导致裂纹的产生以及材料的失效。再就是由于W和Cu的熔点相差大 (W: 3673 K; Cu: 1356 K) , 常规热压烧结无法制备此类梯度材料。功能梯度材料 (FGM) 的概念被认为是解决这一问题的最佳途径之一 ^[4] 。已报道比较成功的W/Cu FGM制备方法是钨骨架渗铜法 ^[5,6,7,8,9] 。

尽管钨有很好的高温性能和与聚变等离子体较好的相容性, 但其高的脆-塑转变温度 (DBTT) 和低的再结晶温度以及高温下的低强度是希望避免的, 因此对钨进行强化将是解决问题的途径之一。在W中通过添加微量La₂O₃或TiC微粒, 起到弥散强化和控制再结晶的作用, 希望能够部分地提高钨的性能。根据W和Cu具有明显的熔点及电阻率差的特点, 作者通过超高压力通电快速烧结这一工艺 ^[10] , 分别制备了在钨中添加1%TiC和1%La₂O₃的W/Cu FGM。

1 实验

W/Cu FGM尺寸为Φ 18 mm×16 mm的试样。实验所用的钨粉粒径分别为1, 3和7 μm, 纯度大于99.9%, 三级配比 (1, 3和7 μm 比例为4∶2∶4) ; 铜粉的粒度≤74 μm, 纯度大于99%。添加的TiC和La₂O₃粉末粒径为3 μm, 纯度大于99.9%。

把1%的La₂O₃或TiC加入到原料钨粉中, 然后放入到高能球磨机进行机械合金化 (MA) 混合 (加入无水乙醇进行湿混) 。磨球为硬质合金球, 混合时间10 h, 取出后在真空干燥箱中干燥。

用分析天平分别称量每种组分的原料, 梯度层中W的体积分布按公式φ= (xd^-1) ^p计算, 式中φ是其中某一梯度层中W的体积分数, x是相应梯度层的位置, d为梯度层厚度, p是成分分布指数。对于不同的p值, 将有不同的成分分布规律。本实验配制p=1, d=6时的W/Cu FGM。它们的配比如表1所示。

按比例把配好的料分别混料。之后进行干燥处理。按要求依次在钢模里铺好钨层、梯度层和铜层, 进行预压成型。将压制好的W/Cu功能梯度材料生坯与石墨密封片、增压片及叶蜡石组成样品组合, 将组合好的样品置于超高压通电烧结工艺装置的六面顶压机腔内, 加压通电烧结。烧结工艺参数为: 压力7～8 GPa, 通电电压180～200 V, 时间50 s。

表1 p=1, d=6时梯度层钨与铜配比 (%, 体积分数)

Table 1 Proportion of W and Cu of gradient layer (p=1, d=6)

Layer (x)	W	Cu
0	0	100
1	16.67	83.33
2	33.33	66.67
3	50.00	50.00
4	66.67	33.33
5	83.33	16.67
6	100	0

烧结后的试样气孔率根据GB2997-82测定; 样品抛光后进行抗热冲击实验, 用激光模拟聚变堆的瞬态热负荷, 样品表面用氩气保护, 水循环冷却。试样用扫描电镜等进行微观结构的观察与分析。

2 结果与讨论

2.1 烧结性能

测得添加1%氧化镧 (a) 和1%碳化钛 (b) 的钨/铜功能梯度材料的气孔率如表2所示。可见气孔率均小于12%。试样烧成后, 对试样的梯度层进行了扫描电镜观察, 如图1所示。表观没有裂纹, 显示出较良好的烧结性能。当电流通过样品时, 由于梯度材料的电阻随向钨层方向逐渐增大, 因而高温区将集中在电阻率高的富钨侧, 从铜到钨端温度是不断升高的。在富钨端, 主要是靠其自身产生的焦耳热来进行烧结, 体积扩散机制可能占主导; 而在富铜端, 则主要是靠富钨端传导过来的热量进行烧结。由于铜的烧结温度远比钨低, 在铜表面及富Cu侧梯度层中黏性流动是其主要机制, 富铜端烧结要比富钨端更致密一些。

表2 功能梯度材料的烧结性能

Table 2 Porosity of two kinds of W/Cu FGMs

样品	气孔率/%
a	11.57
b	11.35

图1 梯度层扫描电镜图

Fig.1 SEM of gradient layer

2.2 力学性能

本实验采用剪切强度的方法来检测每一梯度层的结合力来总体评价此材料的性能。剪切加载速率0.5 mm·min^-1, 结果如图2。

由图2可以看出, 靠近钨表面的第五层剪切强度最小, 不到30 MPa, 但随着铜含量的增多, 强度上升, 到第一层时强度在50 MPa左右。这是因为在第五层中钨含量高, 钨的脆性及其中残余的热应力导致此层剪切强度不高。这也可以看出, 此层是材料最薄弱的地方, 材料分析及性能优化应着重于此处。同时从图2剪切强度对比来看, 含氧化镧弥散相的FGM要比含碳化钛强化作用明显些。图3是含1%氧化镧功能梯度材料第一层与第五层剪切断口图。从此图可以看出, 第一层具有韧窝状断裂特征, 而第五层有解理断裂特征。

2.3 热冲击性能

当激光功率密度为200 mW·m^-2, 束斑直径为2～4 mm时, 对a (含1%氧化镧的钨/铜功能梯度材料) 和b (含1%碳化钛的钨/铜功能梯度材料) 试样钨层表面进行激光热冲击试验 (冲击1000次) , 结果是a试样表面没有损坏, 而b试样表面出现了裂纹。

图2 每梯度层与所对应的剪切强度

Fig.2 Shearing strength and corresponding gradient layer

图3 第一层 (a) 与第五层 (b) 断面的扫描电镜图

Fig.3 Fracture surface of first and fifth layer

图4 b试样热冲击后的钨表面裂纹图

Fig.4 Fracture of sample b after thermal-shock

图4是b试样在冲击后所做的扫描电镜图。可知在a试样中当激光功率密度在200 mW·m^-2时冲击1000次仍保持完整形貌, 相比于刘翔等 ^[11] 研究的钨-铜功能梯度材料来说, 它的再结晶温度应更高。说明加入弥散相粒子可以有效的提高再结晶温度。 b试样在热应力超过材料强度极限的局域首先出现裂纹形核, 随着冲击次数的增大, 出现微裂纹的长大和扩展, 最终导致材料表面大裂纹的出现和扩展。钨的晶粒大小和晶粒取向对钨的性能, 尤其是对其韧性的影响很大, 因而从聚变材料的要求出发, 希望钨的晶粒细化, 这样既能提高材料的韧性, 又能限制在热负荷作用下裂纹的扩展方向 (沿晶粒的生长方向) , 从而减少了表面钨层由于裂纹而导致的剥落。应该注意到, 尽管没有发现裂纹向材料内部扩展, 也没有发现再结晶层和基体间由于大的拉应力而导致的裂纹, 这样的表面改性对材料抗热冲击有多大的帮助作用, 还需进一步的研究。