鉬及鉬合金在核反應堆中的應用

2018-08-24 09:22:42黃洪濤王承陽楊亞杰

中國鉬業 2018年4期

關鍵詞：工藝

董帝，黃洪濤，熊寧，王承陽，楊亞杰，林婷

(1.安泰科技股份有限公司，北京 100094) (2.中國原子能科學研究院，北京 102413)

鉬及鉬合金因具有熔點高、高溫強度高、高溫蠕變速率低、抗熱沖擊性能好，并具有良好的導熱導電性、低的線膨脹系數和濺射率等優點，被廣泛應用于高溫液態金屬冷卻反應堆的燃料包殼和堆芯結構材料、熱離子堆二極管的發射極材料、核聚變反應堆中的面向等離子體的壁材料等[1-2]。本文主要介紹了鉬及鉬合金的制備工藝、研究進展及其在核反應堆中的典型應用，并對其應用前景及發展趨勢進行了展望。

1 鉬及鉬合金單晶

空間熱離子反應堆的熱離子燃料元件發射極要求在1 600 ℃ 以上、強中子輻照、高溫飽和銫蒸汽的環境下長期運行，并要求燃料元件發射極既要承受高溫又必須保持最小的變形和穩定的熱電子發射性能[3]。由于鉬及鉬合金單晶具有更加穩定的顯微組織、韌-脆轉變溫度低、不存在高溫和低溫晶界破壞、與核材料有良好的相容性、高溫性能穩定等優點，可以顯著提高零部件使用的穩定性、可靠性和工作壽命，因此各國均選用鉬及鉬合金單晶來制作發射極[2,4-5]。

目前制備鉬及鉬合金單晶的常見方法主要有電子束懸浮區域熔煉、光束懸浮區域熔煉、等離子弧熔煉法等。電子束懸浮區域熔煉法是制備鉬及其合金單晶的經典方法，包括雜質的區域分離、氣體的析出和雜質的蒸發等，因此在區域熔煉過程中單晶的制備取決于熔區的溫度梯度和液態金屬化學成分的均勻性，具體表現為熔煉室真空度、原料棒的品質、熔煉速度、攪拌速度、籽晶的品質等。光束懸浮區域熔煉是近幾年才發展起來的制備技術，與電子束懸浮區域熔煉法不同的是，這種方法利用一橢球面鏡將鹵化燈發出的光線聚焦成很細的一光束對原料棒和籽晶加熱，然后通過旋轉和位移系統實現單晶的生長。等離子弧熔煉法是制備大尺寸難熔金屬及其合金單晶，包括定向面單晶、超高純單晶的一種極有前途的方法。與電子束(或光束)懸浮區域熔煉法相比，等離子弧熔煉時可以使熔池內液態金屬化學成分更加均勻。此外，等離子生成的氣體中雜質元素H、O和原料中的C元素反應生成COx被去除，因此等離子弧熔煉法較前2種方法制備的難熔金屬及其合金單晶中雜質元素C的含量要大幅降低。但是，在等離子弧熔煉時，由于要往熔池內充入高純氣體，這在一定程度上增加了生產成本，同時熔池中較大的溫度梯度也使單晶結構出現一定的不完整性[4]。

用區域熔煉工藝把未合金化鉬提純成高純單晶體，其塑性很好，塑-脆轉變溫度可降到-196 ℃，但強度性能下降嚴重。固溶強化是提高難熔金屬單晶高溫抗蠕變性能一種極有前途的方法，因為在高溫環境中固溶強化效應十分穩定。Nikolaev等研究表明，Mo-3Nb合金單晶在1 500～1 900 ℃溫度范圍內的蠕變速率比Mo單晶低3～3.5個數量級，比Mo-Re，TZM和Mo-0.5HfC等多晶材料低1～2個數量級[4]。這種固溶強化的方法雖然提高了強度，但降低了合金的延伸率，以Mo-20Nb合金為例，由于Nb的固溶強化作用，它的高溫強度由294 MPa升高到588 MPa，而相對伸長率由35%降低到20%[6]。根據固溶強化理論，借晶格畸變提高的這種強度，只能維持到再結晶開始溫度，超過此溫度，強度顯著下降，而當合金元素加入過多時，由于枝晶強烈發展，出現單晶體內化學成分不均勻，從而引起單晶的物理和機械性能不一致以及物理常數的變化[4]。如果給鉬添加ZrC、NbC等碳化物，則會發生彌散強化作用，這種強化機制的效能可以維持到更高的溫度。表1列舉了純鉬單晶和鉬合金單晶的機械性能，從表1中的數據可以看出，用NbC加ZrC復合合金化鉬單晶1 600 ℃的強度極限提高了近4倍，而屈服強度比純鉬提高了近11倍。

表1 鉬及鉬合金單晶的力學性能

對于熱離子燃料元件發射極材料鉬合金單晶而言，采用電子束懸浮區域熔煉法制備大尺寸鉬合金單晶管材也是該類材料的發展趨勢之一，目前俄羅斯能制備出的難熔金屬及其合金單晶管材長度僅為200 mm[4]，而國內鉬合金單晶管材一般采用單晶棒材通過線切割和磨削的方式制備，工藝復雜，成品率低。因此，為適應新一代空間反應堆發展的需要，長度超過1 000 mm的高品質鉬合金單晶管材成為未來研究開發的重點。

2 TZM鉬合金

在核聚變試驗反應堆中的等離子體表面材料(PFM)及結構材料是非常重要的元件，這些材料所處的環境惡劣，在性能方面要求很高，比如材料要具有耐高溫疲勞，耐中子和氫氦粒子輻照等特點[7]。TZM鉬合金是目前廣泛應用的一種高溫合金材料，由于其熔點高，可以在高熱載荷環境下工作，同時它的氫同位素留存量低、侵蝕速度慢，已經成功在核聚變試驗反應堆中獲得了應用。

鈉冷快堆用堆芯熔化收集裝置用于收集、保持并冷卻熔化落下的堆芯碎片、保護反應堆主容器、防止落下的碎片形成二次臨界的質量以及防止冷卻鈉自然循環時攜帶殘留的釋熱燃料，長期處于高溫、中子輻照、熱載荷、液態金屬鈉中的腐蝕等共同作用的苛刻環境條件下工作，對材料的要求非常嚴格，包括化學成分、高溫力學性能、在核用鈉中360 ℃時的腐蝕速率、斷裂韌性、疲勞性能、高溫蠕變性能等[8]。由于TZM鉬合金具有優異的綜合性能，能夠同時滿足上述性能指標，因而成為快堆用堆芯熔化收集裝置材料，圖1為某試驗快堆采用鉬合金制備的堆芯熔化收集裝置。

TZM鉬合金常用的制備方法有電弧熔煉法和粉末冶金法。電弧熔煉法是將純鉬按質量分數添加一定量的Ti、Zr合金元素，然后通過真空電弧熔煉得到TZM合金錠坯。通過真空電弧熔煉得到的TZM錠坯，經過擠壓開坯，然后鍛造或軋制變形加工得到棒料或板坯。但通過真空電弧熔煉法生產TZM鉬合金材料的工序長、工藝復雜、占用設備多、消耗大、成品率低及成本高，從而限制了它的使用。而粉末冶金法則是用高純鉬粉與TiH2、ZrH2、Mo2C(高純石墨粉)粉末按一定比例混合均勻經冷等靜壓成型，然后經過高溫燒結得到TZM坯料。之后再經過鍛造、軋制等工藝得到TZM成品坯料。坯料的鍛造(軋制)工藝及隨后的熱處理對材料的性能、各向異性及結構有較大影響。用粉末冶金法加工TZM鉬合金棒材和板材，可以節省真空電弧熔煉爐、大型擠壓機以及相應的高溫加熱爐等大型設備，使生產工藝簡化、周期縮短、消耗降低、生產能力及成品率得以明顯提高，大大降低了生產成本[9]。

中國的核聚變反應堆EAST裝置是我國自行設計研制的國際首個全超導托卡馬克裝置，該裝置第一壁材料選用的就是TZM鉬合金。該試驗裝置在高溫、高強度熱載荷的條件下工作，要求材料三向性能基本均勻一致，室溫抗拉強度均要大于500 MPa，斷后伸長率不小于5%。該裝置第一壁材料零件尺寸大部分為S10 mm×L100 mm×T100 mm，從材料制造工藝方面考慮，要求三向同性有很大的技術難度。常規用交叉軋制變形的方式加工制造，可以滿足零件尺寸的要求，而且橫向和縱向的性能指標也都能滿足使用要求，但厚度方向的強度一般在400 MPa左右，不能滿足三向力學性能均勻的使用要求。安泰科技股份有限公司采用多向鍛造工藝已成功批量生產EAST裝置用的TZM鉬合金壁材料，三向室溫抗拉強度均大于500 MPa，斷后伸長率均超過5%，具體數值見表2。圖2為EAST裝置裝上TZM鉬合金第一壁材料后的內部形貌，圖3為采用多向鍛造工藝生產的TZM鉬合金的顯微組織，可以看出在L、T、S三個方向的晶粒度基本一致，分別達到7、7、6.5級，三個方向的性能差別在要求控制的范圍以內，完全滿足核聚變反應堆試驗裝置的設計需求。

圖1 堆芯熔化收集裝置

圖2 第一壁換上TZM的EAST內部

圖3 TZM鉬合金三個方向顯微組織

試樣試驗溫度/℃Rm/MPaA/%L-1#236438.5 L-2#2363512.0L-3#236509.0 T-1#2362311.0T-2#236457.5T-3#236308.0 S-1#2357510.0 S-2#2358013.5S-3#235959.0

備注：L-縱向，T-橫向，S-厚度方向。

鉬合金在高熱載荷的核聚變反應堆中工作存在的主要技術難題是晶粒邊界強度很弱，多晶體鉬合金在加熱超過再結晶溫度時，發生高溫再結晶引起再結晶脆性，形成沿晶界斷裂的斷口。再結晶發生的過程降低了材料的有效導熱率，因此提高了表面溫度，在等離子體的強熱載荷作用下發生熔化和揮發。此外，間隙雜質含量是影響鉬及鉬合金韌性的關鍵因素，在晶粒邊界上偏析聚集的氧對提高塑性和優化晶界性能最為不利，而且由于中子輻照作用引起材料的機械性質損傷以及塑-脆轉變溫度提高也是一個重要問題。因此，對再結晶脆性和輻照脆性都不敏感的低氧含量高Z新型鉬合金成為今后研究開發的重點方向[10]。

3 鉬稀土合金

燃料包殼是核燃料系統中的重要元件，選擇性能更優的包殼材料是開發事故容錯燃料(ATF)的關鍵。鉬稀土合金材料具有熔點高、抗熱沖擊性能好、高溫穩定、與氫氣不發生反應等特性，可以完全滿足包殼材料的使用性能要求，因此鉬稀土合金包殼是目前國際上提出的最有應用前景的新型包殼材料之一[11]。但鉬稀土合金的低延性導致制備超長超細薄壁包殼管的加工難度非常大，需要有針對性的設計和制備滿足核反應堆使用要求的鉬合金包殼材料，此外，鉬合金在高溫下易氧化，需要在表面制備防護涂層，以使其免受高溫侵蝕。

鉬稀土合金是指鉬和稀土氧化物組成的彌散強化鉬合金，主要有鉬-鑭(Mo-La2O3)、鉬-鈧(Mo-Sc2O3)、鉬-釔(Mo-Y2O3)、鉬-鈰(Mo-Ce2O3)、鉬-釤(Mo-Sm2O3)、鉬-釹(Mo-Nd2O3)、鉬-釓(Mo-Gd2O3)等合金。鉬稀土合金可以是單一稀土氧化物和鉬混合，也可以是兩種或多種稀土氧化物和鉬混合，組成復合氧化物粒子強化的鉬合金。通常把含氧化物(質量分數)0.2%～2%的合金稱為低稀土鉬合金，氧化物摻雜量不少于3%的合金稱為高稀土鉬合金。

當鉬中加入稀土元素后，一方面稀土元素在晶界和晶內形成彌散分布的質點，從而提高材料的塑性；另一方面，間隙雜質碳和氧在晶界的偏聚現象減輕，從而改善合金的低溫脆性并降低塑-脆轉變溫度。在鉬中加入一定的稀土氧化物，可使其再結晶溫度提高400～500 ℃左右，且對提高鉬的室溫抗拉強度、高溫抗下垂性能也有特別明顯的作用[12]。王新剛等[13]采用不同的形變工藝生產出的稀土高溫鉬板(Mo-0.6La2O3)經高溫退火后的室溫力學性能，探討彌散質點分布對稀土高溫鉬板金相組織形成與對室溫塑韌性的作用。表3為稀土高溫鉬板與純鉬板室溫力學性能比較。結果表明，稀土高溫鉬板的室溫力學性能均高于純鉬板，即稀土高溫鉬板不但有較高的強度，而且也有比較高的延伸率。雖然純鉬板在1 100 ℃退火后有較高的延伸率，但在1 200 ℃以上溫度的延伸率迅速下降而呈脆性。稀土高溫鉬板直至1 700 ℃退火后仍具有優異的室溫韌性，在1 800～2 000 ℃退火后，室溫韌性有所降低，因為高于1 800 ℃退火時，晶粒聚集長大，彌散質點相對分散，位錯密度降低，從而造成室溫韌性下降。

近年來，胡平等人[14]采用在TZM鉬合金基礎上摻雜La2O3的工藝進一步提高TZM鉬合金的力學性能，摻鑭對TZM 合金的抗拉強度和伸長率都有顯著提高，摻雜量為1%(質量分數)，較TZM 合金的抗拉強度和伸長率分別提高了7.68%和33.3%；氧化鑭的摻入對TZM 合金第二相有細化作用，可以使合金板材的纖維組織更為細長和致密，并且第二相在晶界處阻礙沿晶撕裂裂紋的擴展，這也是La-TZM合金板材強度及伸長率均高于TZM合金板材的原因。

表3 稀土高溫鉬板與純鉬板室溫力學性能

關于鉬稀土合金的強化韌化作用機理普遍認為稀土氧化物對鉬的強化作用主要是由于稀土氧化物粒子對位錯的釘扎作用從而產生Orowan強化。國外一些學者認為稀土摻雜鉬合金的韌化機理主要是伸長式的粗晶組織韌化。彌散分布的稀土氧化物第二相粒子能夠釘扎大量位錯，位錯繞過或者切過第二相粒子需要大量的能量，從而增加了含金塑性變形的強度，細小彌散分布的稀土氧化物第二相粒子還能夠細化晶粒增加鉬合金的韌性和強度。部分學者認為彌散分布的第二相粒子的引入，引起位錯分布組態的變化，使位錯分布更加均勻，這樣鉬合金變形就更加均勻，縮短了滑移面的有效長度，使晶界附近的位錯塞積減輕。另一方面，大量的位錯被稀土氧化物粒子釘扎在晶內或強滑移帶內，使晶界或強滑移帶附近的位錯密度降低，這種位錯組態有利于延緩沿晶微裂紋的形成和擴展，因而顯著提高了鉬稀土合金材料的韌性[15-16]。

鉬稀土合金通常采用粉末冶金法制備，其中粉末原料的制備有固-固、液-固、液-液3種摻雜工藝。固-固摻雜工藝是直接把第二相顆粒添加到純金屬鉬粉中或金屬鉬的氧化物中，然后進行機械混合，如果是金屬鉬的氧化物在混合后還需進行氫氣還原，再進行壓制成形，最后經過常壓或加壓燒結制備出鉬合金制品。固-固摻雜工藝的優點是工藝比較簡單、設備投資比較少，從而容易組織生產；缺點是摻雜的微量第二相在鉬基體中的均勻性有待提高。液-固摻雜工藝又稱調漿法，該方法可以改善固-固摻雜稀土元素分布不均勻的問題，這種方法是以硝酸鹽的形式將稀土元素摻雜到MoO2粉末或Mo粉中，再經過干燥、氫還原制得摻雜粉末，最后再經過壓制、燒結制備得到鉬合金。液-固摻雜工藝相對于固-固摻雜工藝最大的優點是能在很大程度上改善摻雜相在鉬基體中的均勻性，但是均勻性仍有提升空間。液-液摻雜工藝是直接將稀土硝酸鹽溶液和鉬酸銨溶液進行攪拌混合，再經溶膠-凝膠法制備前驅體或采用蒸發結晶得到摻雜粉體，最后經氫氣還原、壓制并燒結成鉬合金坯料。液-液摻雜工藝能達到離子之間的均勻混合，即混料實現最大程度的均勻化，使鉬化合物和摻雜氧化物在混合前期就比較均勻，最終制成的粉末粒度也最細[17]。

事故容錯燃料關鍵技術研究，是日本福島核事故后世界核電領域著力突破的方向，也是中國核燃料研發實現跨越式發展的重要機遇。而事故容錯燃料包殼材料的突破，替代傳統核燃料棒包殼材料，從而提高核電安全性和經濟性，是核電行業共同追求的目標。在已有高強韌鉬合金材料研究工作基礎上，結合核級鉬合金的性能要求，進行有針對性的核用鉬合金成分的設計優化，研發綜合性能優異的鉬稀土材料，并針對該合金材料進行薄壁管材軋制工藝技術的研究開發，獲得相對密度大于99.5%、長度不小于4 000 mm、壁厚0.35 mm左右的鉬合金薄壁管，并且滿足核包殼管的尺寸要求，成為以后鉬稀土合金材料重點研發的方向之一。

4 鉬錸合金

歐美發達國家及日本十分重視空間核反應堆技術的開發，空間核反應堆電源不僅可以滿足航天器所需要的電能，而且還可用核電火箭，實現航天器的核能電力推進，為大幅度減少航天器的推進劑的攜帶量、增加有效載荷、提高機動性與延長壽命提供了可能。液態金屬冷卻快中子堆由于功率密度高、反應性中毒淺、反應性控制響應快等優點成為空間堆堆芯的優選方案[18-19]。反應堆采用液態金屬控制是一種取消固體控制棒的全新控制概念。液態中子吸收體根據熱脹冷縮的非能動安全的概念，進入或者退出堆芯，從而實現對功率的調節、燃耗的補償和毒物的快速注入以實現緊急停堆等功能。液態金屬控制從根本上解決了固體控制棒需要機械傳動所帶來的弊病[20]。由于鉬錸合金具有優異的抗輻射性能、較高的抗拉強度和良好的延展性、高溫性能及導電性、與液態金屬良好的相容性，因而成為冷卻回路的優選材料[21]。

鉬的脆性是影響其應用的一個很重要原因，與鉬不同，錸沒有塑-脆轉變溫度點，在絕對零度時都保持著很好的塑性。錸添加到鉬中提高了鉬的塑性，同時也提高了鉬的強度，并且大幅度地降低了塑-脆轉變溫度，從而使得鉬錸合金具有很好的低溫性能；同時錸又可以提高鉬合金的再結晶溫度，使鉬合金具有優異的高溫性能[22]；錸的加入還減弱了鉬的各向異性，提高了鉬合金加工性能、理化特性和熱電特性等，這被稱為“錸效應”[23-24]。一般將錸對鉬的有利影響歸納如下[25]：(1)組成MoReO4型氧化物，它與MoO2型氧化物不同，不浸潤晶界。因此不需要專門的脫氧劑。甚至于在氧含量為0.03%～0.05%的條件下，鉬錸合金還可以變形。(2)改變間隙雜質的溶解度，錸可以提高C和O的溶解度，從而使碳化物、氧化物難以析出。(3)變形機理的變化，鉬錸合金通過孿晶方式發生變形，金屬保持孿晶變形能力的溫度比發生滑移變形的溫度要低得多。(4)錸引起合金電子結構發生變化，降低了原子間鍵的方向性，降低了堆垛缺陷的能量，提高了剪切模量和間隙雜質的溶解度，促進了金屬塑性的提高。

錸在鉬中的固溶度比在鎢中的高，鉬錸合金中的錸含量一般不超過50%(質量分數)。按照錸在鉬中的含量(質量分數)，鉬錸合金可分為低錸鉬合金(錸含量20%以內)、中錸鉬合金(錸含量20%～30%)、高錸鉬合金(錸含量30%～50%)。鉬錸合金的制備有粉末冶金法和熔煉法，粉末冶金法工藝簡單，成材率高，熔煉法工藝復雜，提純效果好。在實際生產中基本都采用粉末冶金法，只有在特殊需求下，如對純度、氣體雜質含量要求特別高，才采用熔煉法制備。鉬錸合金的制備一般分為3步：(1)預合金粉末制備：鉬粉(或MoO2粉)和錸粉(或ReO2粉)機械混合；將鉬粉混入到高錸酸銨溶液，經熱分解、氫氣還原制得預合金粉。前者工藝簡單、成本低，但均勻性差；后者工藝復雜、成本高，但均勻性好。(2)制備錠坯：用壓模壓制法或者冷等靜壓成形法制備出壓坯，再通過氣氛保護高溫燒結得到合金錠坯。高純錠坯制備：為了減少燒結坯中的氧含量及低熔點等雜質含量，并使合金成分進一步均勻化，可采用二次電子束熔煉，使雜質總含量降到150 mg/kg以內，氧含量降至30 mg/kg以內。(3)塑性變形加工：合金錠坯經過擠壓、鍛造、軋制、拉拔等變形工藝制成板、棒、絲、箔材等[26]。

張軍良等[27]采用粉末冶金和熔煉法分別制取了鉬錸合金，并對兩種工藝制備的合金的化學成分、金相組織和力學性能進行了分析比較。結果表明：熔煉法對鉬錸合金雜質去除效果顯著，尤其是氧含量，可以達到20 mg/kg以內。熔煉法制備的鉬錸合金錠坯鍛造后晶粒組織比較粗大，而粉末冶金法的鍛造晶粒細小，并且粉末冶金法旋鍛棒材的抗拉強度比熔煉法旋鍛棒材高出10%，達到1 126 MPa，斷后伸長率也要高于熔煉法。

錸含量對鉬錸合金的性能影響比較大，在固溶度范圍內，一般都是隨著錸含量的增加綜合性能變得更為優良。例如，隨著錸含量的增加，鉬錸合金的再結晶溫度逐漸升高，塑-脆轉變溫度逐漸降低、高溫性能得到大幅度提升、楊氏模量、切變模量及松裝密度均增加。當錸含量達到50% 時，塑-脆轉變溫度達到了-254 ℃左右；鉬錸合金中當錸含量大于10%時，鉬錸合金的再結晶溫度可以提高到1 200 ℃。隨著錸含量的增加，固溶強化作用增強，各向異性逐漸減弱，屈服強度和抗拉強度逐漸升高，應力因子和硬化指數均升高[23]。當錸含量達到50%時，鉬錸合金表現為各向同性，在不同方向上的彈性常數相同。Bernd等[28]通過對不同錸含量鉬錸合金在1 600 ℃、25 MPa條件下的高溫蠕變性能測試發現，相對于其他成分的鉬錸合金，Mo-51Re合金具有較高的塑性和蠕變速率、較短的斷裂時間。Morito[29]研究了不同錸含量對鉬錸合金的焊接性能的影響，結果表明錸含量在25%以上時，鉬錸合金焊接件具有較好的力學性能，尤其是塑性較好。應用在核反應堆上的鉬錸合金，不但需要具有良好的室溫性能，而且還要具有很低的塑-脆轉變溫度、高溫強度和高的再結晶溫度等，一般錸的含量在40%以上。實際生產的鉬錸合金中錸含量不應超過51%，因為當錸含量超過51%時，在生產過程中將會產生大量硬脆σ相。Todd等[30]對錸含量在40%以上的幾種鉬錸合金的性能及結構進行研究發現，Mo-44.5%Re合金中沒有σ相產生，同時具有優異的低溫塑性、力學性能、好的成形性、易加工等特點，并具有非常好的綜合性能，非常適合一些核反應堆中的應用。

Mueller等人[31]研究了錸對氧化物彌散強化鉬合金(ODS Mo)的力學性能和塑-脆轉變溫度的影響。結果表明，含錸的氧化鑭彌散強化鉬合金的性能和錸含量有密切的關系。ODS Mo-Re合金采用粉末冶金工藝生產，合金成分(質量分數)為Mo-14Re-1La2O3(ODS Mo-14Re)和Mo-7Re-1La2O3(ODS Mo-7Re)。具體制備工藝為：適量的錸加入到ODS Mo粉末中，混料18 h，冷等靜壓成形，壓制壓力為207～276 MPa，保壓時間至少15 min，壓坯凈化處理后經過1 950 ℃保溫4 h高溫燒結處理。之后將燒結致密化的含錸合金錠坯放入未合金化鉬的擠壓套內，包套的縫隙真空焊接密封，進行包套擠壓。擠壓坯加熱1 350 ℃，保溫30 min，最終擠壓棒和未合金化鉬套一起整體模鍛到φ5 mm。用無芯磨床磨掉外包套后，得到直徑為4.6 mm的棒材，擠壓加模鍛的總變形量大于98%。對得到ODS Mo-Re合金進行顯微組織和力學性能分析，ODS Mo-14Re和ODS Mo-7Re合金的顯微組織特征見表4所示，同時為了便于比較，該表也列舉了粉末冶金工藝生產的純鉬、Mo-14Re、ODS Mo的相應參數。圖4為ODS Mo-14Re和ODS Mo-7Re合金的顯微組織照片，兩個模鍛的ODS Mo-Re合金的顯微組織照片含有拉長的晶粒結構，ODS Mo-14Re和ODS Mo-7Re晶粒的長-寬比分別為5和10。在這兩個含錸合金的顯微組織中看到有團聚的和分散的氧化物粒子。ODS Mo-14Re和ODS Mo-7Re合金中的氧化物的粒子尺寸分別為3～5 μm和1～2 μm。表5列出了ODS Mo-14Re和ODS Mo-7Re合金，Mo-14Re，ODS Mo和未合金化鉬的力學性能。錸添加劑最有意義的作用是屈服應力的溫度關系，對體心立方金屬而言，在溫度T<0.2 Tm的情況下，流動應力與溫度有強烈關系。鉬的T<0.2 Tm，就是低于305 ℃。在試驗溫度降低的同時，鉬的屈服強度升高，當降到塑脆性轉變溫度(DBTT)時，速度的變化加快，一直到屈服強度超過斷裂強度，此時破壞的特點是脆性解理斷裂。

表4 模鍛的ODS Mo-Re、Mo-Re、ODS Mo和Mo的顯微組織性質

表5 Mo-Re、PM-Mo、ODS Mo和ODS Mo-Re合金的室溫拉伸性能

圖4 模鍛ODS Mo-Re合金的光學顯微照片

Mohamed[32]對空間核反應堆電源用的難熔金屬和ODS鋼材料進行了研究和比較，結果表明當工作溫度低于1 700 K時，使用鉬錸合金可以有效避免Nb-1Zr、PWC-11、C-103等合金材料因對氧含量比較敏感發生的斷裂問題。經過焊接的Mo-13Re合金，在1 500 K工作溫度下，鋰工作介質中，11 400 h未發生斷裂現象。對于目前的鋰冷快堆回路來說，隨著鉬錸合金管材制備工藝和焊接工藝的成熟，鉬錸合金將會成為回路的優選材料。圖5為安泰科技股份有限公司生產的外徑18 mm，壁厚0.5 mm，長度為1 000 mm的鉬錸合金管材，圖6為鉬錸管材經過電子束焊接焊縫的顯微照片，從顯微照片上，可以看出焊縫無氣孔，已完全焊透，氣密性良好。

圖5 Mo-Re合金管材

圖6 Mo-Re合金管材焊縫顯微照片

由于ODS Mo-Re合金具有更為優異的綜合力學性能以及較低的塑-脆轉變溫度，在已有研究工作基礎上，結合液態金屬冷卻回路的性能要求，進行有針對性的合金成分優化設計，研發綜合性能優異的ODS Mo-Re合金材料，并針對該合金材料進行薄壁管材軋制工藝以及焊接連接工藝的研究開發，成為以后鉬錸合金材料重點研發的方向之一。

5 結論