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(fā)的一個重要標(biāo)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(guān)系到反應(yīng)堆中等離子體的穩(wěn)定性能，第一壁結(jié)構(gòu)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(zhì);(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(jié)構(gòu)材料向兼容性等。

國內(nèi)外大量的科研工作者已經(jīng)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(yīng)堆中面向等離子體材料一般分為兩種:低Z(原子序數(shù))材料和高Z 材料。低Z 材料有石墨、硼、鋰、鈹?shù)?，高Z 材料有鎢、鉬等。目前，國內(nèi)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(chǎn)額低、高溫強度高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點，并且熱膨脹系數(shù)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(jié)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(chǎn)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(chǔ)上摸索出了生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)燒結(jié)爐中于1 950～2 000 ℃下保溫6 h 燒結(jié)，得到了直徑為φ100 mm 鉬棒坯和厚度為≠65 mm 的鉬板坯。然后設(shè)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(jīng)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(jù)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(jù)晶粒尺寸進行評定。顯微硬度監(jiān)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(jié)果與討論

2.1 密 度

表1 是加工鉬板材相對密度結(jié)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(chǎn)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。可見，實驗條件下采用鍛造工藝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(yīng)方向的金相組織?？梢钥吹剑f板材經(jīng)過1 250 ℃/60 min 退火處理后組織均為完全再結(jié)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(jié)果?？梢钥吹?，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(jié)果表明，采用板坯軋制方法生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)中采用工藝2 和工藝3 所述的鍛造方法生產(chǎn)的鉬板材力學(xué)性能均可滿足產(chǎn)品力學(xué)要求，但考慮到產(chǎn)品密度要求，最佳的生產(chǎn)工藝為工藝3(3#)。

3 結(jié)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(chǎn)品的密度使用要求;

(2)采用板坯軋制方法生產(chǎn)的鉬板材經(jīng)過完全再結(jié)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(chǎn)出的鉬板材經(jīng)過完全再結(jié)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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