Die Beziehung zwischen Mikrostrukturentwicklung und Eigenschaftsverschlechterung von zwei repräsentativen Zweitphasen-dispersionsverstärkten Wolframmaterialien nach thermischer Elektronenstrahlbelastung wurde kürzlich von einem kooperierenden Forschungsteam des Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) untersucht.
Die entsprechende Forschung wurde in veröffentlicht Zeitschrift für Materialwissenschaft und -technologie.
Die beste Umgebung für das menschliche Überleben ist 25 ℃. Die dem Plasma zugewandten Wolfram (W)-Materialien in den Kernfusionsanlagen mit magnetischem Einschluss sind jedoch direkt einem Hochtemperaturplasma ausgesetzt und werden typischerweise stationären thermischen Belastungen von 5–20 MW/m2 und transienten thermischen Schocks von ~ 1 GW/m2, was die Oberflächentemperatur von Wolfram auf über 1800 ℃ anheben kann. Die hohe Wärmestrombelastung von W führt zu einigen irreversiblen Materialschäden, wie Oberflächenaufrauhung, Rissbildung und Oberflächenschmelzen. Daher ist es dringend erforderlich, die thermische Belastbarkeit von W-Materialien zu bewerten.
In dieser Studie führten die Forscher wiederholte Wärmebelastungen an einer 30-kW-Elektronenstrahl-Materialforschungsplattform (EBMP-30) eines Elektronenstrahlgeräts durch. Diese Plattform wurde speziell entwickelt, um die Temperaturwechselbeständigkeit von Plasma-Facing Materials (PFMs) zu bewerten.
„Es verwendet einen 30-kW-Schweißelektronenstrahl mit einer maximalen Beschleunigungsspannung von 100 kV“, erklärte XIE Zhuoming, der beim Bau der Plattform half, „es kann eine Fläche von 30 × 30 mm2 mit einer maximalen Bildrate von 35 kHz und seinem Impuls scannen Die Dauer kann von 100 ms in einen kontinuierlichen Zustand wechseln.“
Basierend auf dem EBMP-30-Gerät wurden zwei repräsentative Verbundwerkstoffe W-0,5 Gew.-% ZrC (WZC) und W-1,0 Gew.-% Y2O3 (WYO) ausgewählt, um das Schadensverhalten zu untersuchen, das durch wiederholte stationäre Wärmebelastungen mit absorbierter Leistungsdichte ( APD) im Bereich von 10–30 MW/m2.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Mikrostrukturen und Zugeigenschaften von WZC- und WYO-Proben nicht signifikant ändern, wenn APD ≤ 20 MW/m2. Wenn jedoch APD ≥ 22 MW/m2 war, wurden eine vollständige Rekristallisation und Kornwachstum in WYO-Proben und ein Ablösen von Y2O3-Partikeln aus der W-Matrix festgestellt.
Darüber hinaus nahmen die Reißfestigkeit und die Gesamtdehnung von WYO von 861 MPa auf 510 MPa bzw. von 15 % auf nahezu null ab.
„Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTEs) der Y2O3-Phase und des W kommt es zu einer irreversiblen plastischen Verformung der W-Matrix, insbesondere um die groben Y2O3-Partikel herum“, sagte Wu Xuebang, der das Team leitete, „was zu einer irreversiblen plastischen Verformung der W-Matrix führt Grenzflächenablösung zwischen Y2O3-Partikeln und der W-Matrix.“
Nach thermischer Belastung mit 22 MW/m2 behielten WZC-Proben aufgrund ihrer hohen Rekristallisationstemperatur (~1300 ℃) die hohe Zugfestigkeit von 816 MPa.
„Die feine und gleichmäßige Verteilung von ZrC-Partikeln und ihr vergleichbarer CTE zur W-Matrix“, fügte Wu hinzu, „was das Ablösen von ZrC-Partikeln und die Bildung von Mikrorissen effektiv vermeidet.“
„Diese Studie zeigt die Korrelationen zwischen der Entwicklung der Mikrostruktur und der Leistungsverschlechterung in zwei repräsentativen Zweitphasen-Dispersions-verstärkten Wolframmaterialien sowie den Mechanismus der Ermüdungsschädigung durch hohe thermische Belastungen“, sagte WU, „was eine wichtige Referenz für die weitere Entwicklung darstellt Entwicklung von Hochleistungs-Wolframmaterialien.“
Mehr Informationen:
Hui Wang et al., Entwicklung der Mikrostruktur und Schadensmechanismus bei thermischer Ermüdung von in der zweiten Phase dispersionsverstärkten Wolfram-Verbundwerkstoffen unter wiederholten thermischen Belastungen, Zeitschrift für Materialwissenschaft und -technologie (2022). DOI: 10.1016/j.jmst.2022.09.007