La relation entre l’évolution de la microstructure et la dégradation des propriétés de deux matériaux de tungstène renforcés par dispersion de deuxième phase représentatifs après un chargement thermique par faisceau d’électrons a été étudiée récemment par une équipe de recherche en collaboration des Instituts de sciences physiques Hefei (HFIPS) de l’Académie chinoise des sciences (CAS).
La recherche connexe a été publiée dans Journal de la science et de la technologie des matériaux.
Le meilleur environnement pour la survie humaine est de 25 ℃. Cependant, les matériaux en tungstène (W) face au plasma dans les dispositifs de fusion nucléaire à confinement magnétique sont directement exposés au plasma à haute température et sont généralement soumis à des charges thermiques en régime permanent de 5 à 20 MW/m2 et à des chocs thermiques transitoires de ~ 1 GW/m2, ce qui peut élever la température de surface du tungstène au-dessus de 1800 ℃. La charge de flux de chaleur élevée sur W entraîne des dommages matériels irréversibles, tels que la rugosité de la surface, la fissuration et la fusion de la surface. Par conséquent, il est urgent d’évaluer la résistance à la charge thermique des matériaux W.
Dans cette étude, les chercheurs ont effectué des charges thermiques répétitives sur un dispositif à faisceau d’électrons de 30 kW Electron-beam Material-research Platform (EBMP-30). Cette plateforme a été spécialement construite pour évaluer la résistance aux chocs thermiques des matériaux face au plasma (PFM).
« Il adopte un faisceau d’électrons de soudage de 30 kW avec une tension d’accélération maximale de 100 kV », a expliqué XIE Zhuoming, qui a aidé à construire la plate-forme, « il peut balayer une zone de 30 × 30 mm2 avec une fréquence d’images maximale de 35 kHz, et son impulsion la durée peut passer de 100 ms à un état continu. »
Sur la base du dispositif EBMP-30, deux composites représentatifs W-0,5wt% ZrC (WZC) et W-1,0wt% Y2O3 (WYO) ont été sélectionnés pour étudier le comportement des dommages induits par des charges thermiques répétées en régime permanent avec une densité de puissance absorbée ( APD) dans la plage de 10 à 30 MW/m2.
Les résultats montrent que les microstructures et les propriétés de traction des éprouvettes WZC et WYO ne changent pas de manière significative lorsque APD ≤ 20 MW/m2. Cependant, lorsque APD ≥ 22 MW/m2, une recristallisation complète et une croissance des grains dans les échantillons WYO et des particules Y2O3 se détachant de la matrice W ont été détectées.
De plus, la résistance à la traction ultime et l’allongement total du WYO ont diminué de 861 MPa à 510 MPa et de 15 % à près de zéro, respectivement.
« En raison des différents coefficients de dilatation thermique (CTE) de la phase Y2O3 et W, une déformation plastique irréversible de la matrice W se produit, en particulier autour des particules grossières Y2O3 », a déclaré Wu Xuebang, qui a dirigé l’équipe, « ce qui conduit à la décollement de l’interface entre les particules Y2O3 et la matrice W. »
Après des charges thermiques à 22 MW/m2, les spécimens WZC ont maintenu la résistance à la traction ultime élevée de 816 MPa en raison de sa température de recristallisation élevée (~1300 ℃).
« La distribution fine et uniforme des particules de ZrC et son CTE comparable à la matrice W », a ajouté Wu, « qui évite efficacement la perte de particules de ZrC et la formation de microfissures. »
« Cette étude révèle les corrélations entre l’évolution de la microstructure et la dégradation des performances dans deux matériaux de tungstène renforcés par dispersion de deuxième phase représentatifs, ainsi que le mécanisme d’endommagement par fatigue par des charges thermiques élevées », a déclaré WU, « qui fournit une référence importante pour la suite développement de matériaux de tungstène à haute performance. »
Plus d’information:
Hui Wang et al, Évolution microstructurale et mécanisme d’endommagement par fatigue thermique des composites de tungstène renforcés par dispersion de deuxième phase sous des charges thermiques répétitives, Journal de la science et de la technologie des matériaux (2022). DOI : 10.1016/j.jmst.2022.09.007