钛钨复合等离子体材料

ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克,俗称“人造太阳”,旨在为人类未来创造清洁可持续的能源。

ITER 采用氘氚产生核聚变,氘氚在环流器内以几百万,几千万至上亿的温度聚变,环流器就必须由耐高温的金属来强化,也就是说,“人造太阳”的主体,需要特殊的材料筑起一道“防火墙”,来抵御装置内部上亿度的高温环境。从工程角度来看,材料问题决定着聚变能开发的成功与否。

ITER等离子体壁材图片

在聚变材料中,非常重要的一类材料是面向等离子体材料(PFMs),对 PFMs 的总体要求是:耐高温、低溅射、低氢(氚)滞留及与结构材料兼容。钨被认为是最有前景的 PFMs 材料,能满足这种严酷环境下的诸多要求,但是由于钨自身的结构特点造成其面临严重的脆性,因此,将在钨掺杂钛元素复合成钨基复合材料能较好地解决钨的脆性问题。

目前解决掺杂钨的途径有很多,本文介绍掺杂钨粉体的一种新方法—滴定法。在偏钨酸铵(AMT)饱和溶液与碳化钛(TiC)微粉和分散剂组成的悬浮液中,滴入无水乙醇获得 AMT 包覆碳化钛前驱体;然后对前驱体进行高纯氢还原制备出钨包覆 TiC 复合粉体,采用放电等离子体烧结(SPS)技术制得钛钨复合材料。

经过测试表明,使用滴定法,钛钨复合材料经 600 ℃保温1 h 和 800 ℃保温30 min H2 还原,得到分散良好的类球形复合粉体。在 1600 ℃保温 2 min,SPS 烧结后TiC在基体中分布均匀,钛钨复合材料的相对密度达到 94.6%,抗弯强度达到 739 MPa,显微硬度达到 4.86 GPa,断裂韧性达到 7.87 MPa·m1/2,完美解决了钨的脆性缺陷。

解决了钨的脆性问题,以钨为主的合金材料在人造太阳中便有了更大的使用范围,实际上,钨基材料不仅是人造太阳壁体的主要材料,也是偏滤器的主要材料。

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