强化钨合金复合材料的热疲劳损伤机制

中国科学院合肥物质科学研究院（HFIPS）的一个研究小组最近对两种代表性的第二相弥散强化钨合金复合材料在热疲劳损伤机制中的电子束热加载后的微观结构演变与性能退化之间的关系进行了调查，相关研究发表在《材料科学与技术》杂志上。

在磁约束核聚变装置中，面向等离子体的钨（W）材料直接暴露于高温等离子体中，通常承受约1 GW/m² 的瞬态热冲击和5至20 MW/m² 的稳态热负荷。这有助于将钨的表面温度提高到1800℃以上。W承受的高热流量负荷会导致一些不可逆转的材料损伤，如表面开裂、粗化和表面融化。因此，评估W材料的耐热负荷能力是迫切需要的。

（图片来源: ZHAO Weiwei）

在这项研究中，科学家们在一台电子束设备—电子束材料研究平台（EBMP-30）上对其进行了重复的热负荷，功率高达30千瓦。该平台旨在计算面向等离子体材料（PFMs）的抗热冲击性能。

“它采用了一台30千瓦的焊接电子束，最大加速电压为100千伏，可以扫描30×30mm²的区域，最大帧率为35千赫，脉冲持续时间可从100毫秒变化到连续状态。”XIE Zhuoming解释说，他参与了该平台的建设。依靠EBMP-30设备，选择了两种代表性的W-0.5 wt% ZrC (WZC)和W-1.0 wt% Y₂O₃ (WYO)复合材料来了解由反复稳态热负荷引发的损伤行为，吸收功率密度（APD）在10至30 MW/m²范围内。

结果显示，在APD≤20 MW/m²时，WZC和WYO试样的拉伸和微观结构性能没有显著变化。但当APD≥22 MW/m²时，在WYO试样中检测到晶粒生长和完全再结晶以及Y₂O₃颗粒从W基体脱落。此外，WYO的最终拉伸强度和总伸长率分别从861 MPa降至510 MPa和从15%降至接近零。由于Y₂O₃相和W之间不同的热膨胀系数（CTEs），导致W基体发生不可逆塑性变形，特别是在粗大Y₂O₃颗粒周围导致Y₂O₃颗粒与W基体之间界面剥离。

在22 MW/m²的热负荷下，由于其高的再结晶温度（约1300℃），WZC试样保持了816 MPa的高极限拉伸强度。ZrC颗粒的细小均匀分布和与W基体相当的CTE有效地避免了ZrC颗粒脱落和微裂纹的形成。Xuebang Wu，研究主要作者，中国科学院合肥物质科学研究院。

（图片来源: Chen/Metals）

Wu补充说：“这项研究揭示了两种代表性第二相弥散强化钨材料中微观结构演变与性能退化之间的关系，以及高热负荷引起疲劳损伤的机制，为进一步开发高性能强化钨合金复合材料提供了重要参考。”

参考文献：Wang, H., et al. (2022) Microstructural evolution and thermal fatigue damage mechanism of second-phase dispersion strengthened tungsten composites under repetitive thermal loads《材料科学与技术》doi.org/10.1016/j.jmst.2022.09.007

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