K摻雜、分散La2O3顆粒和Re合金化等方法製造改性鎢材料

K摻雜、La₂O₃顆粒的分散和Re合金化主要被用作改性鎢材料的方法。為了明確這些改性的效果，所有材料的基本生產路線的主要條件都是相同的，包括冷等靜壓、燒結、軋製或鍛壓，最後進行熱處理以消除應力。為了研究軋製和鍛壓中還原率（變形率）的影響，採用了幾個級別的變形率。

研究人員製造了由純W、K摻雜的W、W-3%Re、K摻雜的W-3%Re和W-3%Re-1%La2O3製成的板以及由純W和K摻雜的W製成的鎢棒。摻K的W和摻K的W-3%Re中的K濃度約為30ppm。K-氣泡和La₂O₃顆粒主要分散在晶界，阻礙晶界和位錯的運動，從而製成更細的晶粒，更高的強度和抑制再結晶。Re的添加量（3%）是根據Re添加對機械性能、熱導率、抗再結晶和抗中子輻照的變化的瞭解而確定的。

板材是通過粉末冶金和熱軋製造的，然後在900℃下進行20分鐘的最終熱處理以消除應力。熱軋的變形率分為兩個等級；較高等級的變形率（以下用“H”表示）和較低等級的變形率（以下用“L”表示）。所有材料在軋製後直接獲得的厚度為7毫米，沿軋製方向拉長的扁平晶粒結構是通過粉末冶金和軋製製造的W板的特徵。在由高角度晶界定義的晶粒內部觀察到很多子晶粒。

杆件材料是通過粉末冶金和鍛壓製造的，接著在900℃下進行20分鐘的最終熱處理以消除應力。鍛壓的變形率分為三個等級；高水準的變形率（以下用“H”表示），中等水準的變形率（以下用“I”表示）和低水準的變形率（以下用“L”表示）。在“H”、“I”和“L”中，直接獲得的直徑分別為6、10和20毫米。隨著變形比的增加，晶粒沿著棒材的軸向拉長，成長為針狀形狀。

分別使用了電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-AES）和紅外吸收光譜法（IR）來分析金屬和氣體元素。除W-3%Re-1%La2O3板外，所有材料中作為間隙雜質的碳（C）、氧（O）和氮（N）的濃度均小於10ppm。因為這種間隙性雜質由於在晶界的偏析，已知會影響再結晶、晶粒生長和其他相關的材料性能，所以在製造過程中考慮降低這些濃度。

從雜質元素濃度的角度來看，在ITER分流器中，要求純W中的C、O和N的濃度應小於0.01%（100ppm）。因此，除了W-3%Re-1%La2O3板，都滿足要求。W-3%Re-1%La2O3板中的C、O和N的濃度分別小於10ppm、約1780ppm（包括La2O3中的O），以及小於10ppm。然而，由於這種材料中的O的濃度主要來自La2O3，在W-3%Re-1%La2O3板中的C、O和N的濃度水準可以接受上述要求。

具有相同主要化學成分的材料的晶粒尺寸隨著變形比的增加而減小。此外，對於在相同變形比下製造的材料，晶粒尺寸隨著K-摻雜、La₂O₃顆粒的分散和Re-添加而減小，這可能是由於在製造過程中，K-氣泡、La₂O₃顆粒和溶質Re阻礙了晶界和位錯的運動。這些趨勢適用於軋製的板材和鍛壓的棒材。

熱導率隨著Re量的增加而降低，特別是在低溫下。儘管K摻雜對軋製板的熱導率幾乎沒有影響，但與純W（H）板相比，K摻雜的W（L）棒顯示出相對較低的熱導率。這可能是由於燒結和鍛壓條件不足，導致孔隙和拉長的K-氣泡。

參考來源：Nogami S, Hasegawa A, Fukuda M, et al. Mechanical properties of tungsten: recent research on modified tungsten materials in Japan[J]. Journal of Nuclear Materials, 2021, 543: 152506.

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