聚變堆中面向等離子體的鉬板材制備工藝研究

淡新國，黃先明，郭讓民，侯軍濤，丁 旭

(1.西安瑞福萊鎢鉬有限公司，陜西 寶雞 721014)

(2.西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710201)

0 前言

近年來，在新能源的研究中聚變能得到了世界各國的重視，ITER 就是通過國際合作加快核聚變研究開發的一個重要標志［1，3］。在聚變研究裝置中需要大量的聚變堆面向等離子體材料，這類材料是一種非常重要的材料，它關系到反應堆中等離子體的穩定性能，第一壁結構材料和元件免受等離子體轟擊損傷等問題，它的主要作用是:(1)有效地控制等離子體的雜質;(2)有效地傳遞輻射到材料表面的熱量;保護非正常停機時其他材料和部件免受等離子體的轟擊而損傷。因此，對面向等離子體材料的總體要求是耐高溫、低濺射、低氫滯留及結構材料向兼容性等。

國內外大量的科研工作者已經對聚變堆面向等離子體材料(Plasma Facing Materials，PFMs)進行了廣泛的研究并取得了一定的成果［3，10］。目前，聚變反應堆中面向等離子體材料一般分為兩種:低Z(原子序數)材料和高Z 材料。低Z 材料有石墨、硼、鋰、鈹等，高Z 材料有鎢、鉬等。目前，國內外研究的熱點材料有鎢、鉬、碳基材料(高性能石墨或C/C材料)、鈹、碳化硅和碳化硼等。其中，鉬及其合金具有熔點高、等離子體抗沖刷能力強、濺射產額低、高溫強度高、熱導率高等優點，并且熱膨脹系數和W、C 比較接近，因此被提出作為新型聚變堆面向等離子體的材料［4-5］。其在實際使用中通常為一定厚度的板材，要求與銅背板在結合，為了保證材料具有較好的抗熱沖擊性能，板材要求密度大于99.5%，且在縱、橫、厚度3 個方向組織和性能均勻。因此，為了研究該鉬板材的制備方法，本文開展了采用軋制方法和鍛造方法生產鉬板材的試驗，研究了加工后的板材組織和性能，并在此基礎上摸索出了生產聚變堆中面向等離子體鉬板材適宜的加工工藝。

1 試驗方法

試驗選用鉬粉原料滿足GB/T 3461-2006 標準中FMo-1 粉要求，平均粒度為3.2 μm。然后采用冷等靜壓制方式成型，在氫氣中頻感應燒結爐中于1 950～2 000 ℃下保溫6 h 燒結，得到了直徑為φ100 mm 鉬棒坯和厚度為≠65 mm 的鉬板坯。然后設計了一種板材軋制工藝和兩種鍛造工藝進行加工，其中鍛造工藝采取的是先拔長再鐓鍛的方法，如圖1 中工藝1～工藝3 所示，其總加工率分別為84%、82%和90%，再經過相同的熱處理工藝得到了厚度為11 mm、15 mm 和10 mm 的鉬板材。

之后，對1#～3#試驗板材進行取樣，分別進行密度、金相檢測和拉伸性能檢測。其中，實驗鉬板材的密度根據阿基米德排水定律測量，金相檢測采用Philips Sirin 200FEG-SEM 進行觀察，拉伸強度采用HT-2042 拉伸實驗機進行，板厚方向強度評定根據晶粒尺寸進行評定。顯微硬度監測在HB-3000 型硬度計上進行。試驗中要求每個組試樣在測試中測3 個樣，取其平均值進行對比分析。

圖1 鉬板材加工工藝圖

2 結果與討論

2.1 密 度

表1 是加工鉬板材相對密度結果，可以看出3 種不同工藝加工后，板材密度明顯增大，工藝3 和工藝1加工后密度均能滿足產品要求，但工藝2 加工后密度較小，不能滿足要求。比較工藝2 和工藝3 可知，前者總加工率較小，為82%，后者加工率較大為90%，可見在相同坯料和鍛造條件下，增加鍛造總加工率，有利于進一步提高材料的密度?？梢姡瑢嶒灄l件下采用鍛造工藝3 和軋制工藝1 可滿足密度要求。

表1 鉬板材相對密度

2.2 組織及性能

圖2、圖3、圖4 分別是工藝1、工藝2 和工藝3所加工工藝的對應方向的金相組織?？梢钥吹?，鉬板材經過1 250 ℃/60 min 退火處理后組織均為完全再結晶組織，且圖2 中板材縱、橫向組織較均勻，但厚度方向組織較粗大。圖3 和圖4 中板材在方向1、方向2 和板厚度方向組織較為均勻。

圖2 工藝1 加工板材金相組織

圖3 工藝2 加工板材金相組織

圖4 工藝3 加工板材金相組織

表2 拉伸強度和硬度

表2 是加工鉬板材的拉伸強度和硬度結果。可以看到，所有加工板材拉伸后均成脆性斷裂，比較斷裂強度可以看出工藝1 軋制后板材硬度較大，且盡管縱、橫向強度值較高，但厚度方向強度值明顯偏低。而采用鍛造加工后的板材硬度值較小，3 個方向強度值差別較小。同等鍛造方式下，隨著鍛造總加工率的增大，工藝3 加工的板材硬度值和三向強度值均較工藝2 有所增加。

以上結果表明，采用板坯軋制方法生產的板材在厚度方向上因組織較縱、橫方向的粗大而造成板材強度值明顯降低，而采用棒坯鍛造方法生產的材在3 個方向上因組織均勻性較好而強度值差別較小，可充分滿足聚變堆中面向等離子體鉬板材料的要求?？梢姡a中采用工藝2 和工藝3 所述的鍛造方法生產的鉬板材力學性能均可滿足產品力學要求，但考慮到產品密度要求，最佳的生產工藝為工藝3(3#)。

3 結論

(1)在同等加工條件下采用工藝1 板坯軋制法和工藝3 鍛造方法加工后板材密度可大于99.95%，可滿足聚變堆鉬板材產品的密度使用要求;

(2)采用板坯軋制方法生產的鉬板材經過完全再結晶退火后，厚度方向上金相組織晶粒較粗大，強度值較低，不能滿足聚變堆中鉬板材料的使用要求;

(3)采用工藝3 所述鍛造方法生產出的鉬板材經過完全再結晶退火后三向金相組織均勻，強度高且分布均勻，可充分滿足聚變堆中鉬板材料的密度和強度要求。

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