強化鎢合金複合材料的熱疲勞損傷機制

中國科學院合肥物質科學研究院（HFIPS）的一個研究小組最近對兩種代表性的第二相彌散強化鎢合金複合材料在熱疲勞損傷機制中的電子束熱載入後的微觀結構演變與性能退化之間的關係進行了調查，相關研究發表在《材料科學與技術》雜誌上。

在磁約束核聚變裝置中，面向等離子體的鎢（W）材料直接暴露於高溫等離子體中，通常承受約1 GW/m² 的瞬態熱衝擊和5至20 MW/m² 的穩態熱負荷。這有助於將鎢的表面溫度提高到1800℃以上。W承受的高熱流量負荷會導致一些不可逆轉的材料損傷，如表面開裂、粗化和表面融化。因此，評估W材料的耐熱負荷能力是迫切需要的。

（圖片來源: ZHAO Weiwei）

在這項研究中，科學家們在一台電子束設備—電子束材料研究平臺（EBMP-30）上對其進行了重複的熱負荷，功率高達30千瓦。該平臺旨在計算面向等離子體材料（PFMs）的抗熱衝擊性能。

“它採用了一台30千瓦的焊接電子束，最大加速電壓為100千伏，可以掃描30×30mm²的區域，最大幀率為35千赫，脈衝持續時間可從100毫秒變化到連續狀態。”XIE Zhuoming解釋說，他參與了該平臺的建設。依靠EBMP-30設備，選擇了兩種代表性的W-0.5 wt% ZrC (WZC)和W-1.0 wt% Y₂O₃ (WYO)複合材料來瞭解由反復穩態熱負荷引發的損傷行為，吸收功率密度（APD）在10至30 MW/m²範圍內。

結果顯示，在APD≤20 MW/m²時，WZC和WYO試樣的拉伸和微觀結構性能沒有顯著變化。但當APD≥22 MW/m²時，在WYO試樣中檢測到晶粒生長和完全再結晶以及Y₂O₃顆粒從W基體脫落。此外，WYO的最終拉伸強度和總伸長率分別從861 MPa降至510 MPa和從15%降至接近零。由於Y₂O₃相和W之間不同的熱膨脹係數（CTEs），導致W基體發生不可逆塑性變形，特別是在粗大Y₂O₃顆粒周圍導致Y₂O₃顆粒與W基體之間介面剝離。

在22 MW/m²的熱負荷下，由於其高的再結晶溫度（約1300℃），WZC試樣保持了816 MPa的高極限拉伸強度。ZrC顆粒的細小均勻分佈和與W基體相當的CTE有效地避免了ZrC顆粒脫落和微裂紋的形成。Xuebang Wu，研究主要作者，中國科學院合肥物質科學研究院。

（圖片來源: Chen/Metals）

Wu補充說：“這項研究揭示了兩種代表性第二相彌散強化鎢材料中微觀結構演變與性能退化之間的關係，以及高熱負荷引起疲勞損傷的機制，為進一步開發高性能強化鎢合金複合材料提供了重要參考。”

參考文獻：Wang, H., et al. (2022) Microstructural evolution and thermal fatigue damage mechanism of second-phase dispersion strengthened tungsten composites under repetitive thermal loads《材料科學與技術》doi.org/10.1016/j.jmst.2022.09.007

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