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面向等離子體鎢銅功能梯度材料的優(yōu)化及服役性能研究學(xué)生：朱大煥導(dǎo)師：陳俊凌研究員中國科學(xué)院等離子體物理所博士學(xué)位論文中期檢查主要內(nèi)容1234課題提出及研究目標(biāo)研究進(jìn)展存在的缺乏后續(xù)方案2024/1/222鎢基PFM材料的應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)InterfacecrackingWCTE:4.5×10-6/K

CuCTE:17×10-6/KHighheatfluxCoolingwater應(yīng)力“歧點(diǎn)〞優(yōu)點(diǎn)：低的濺射率低的氚滯留高的熔點(diǎn)低的蒸汽壓高溫力學(xué)性能缺點(diǎn)：低溫脆性中子輻照變脆與熱沉失配高溫重結(jié)晶起泡，腫脹課題提出2024/1/223解決方法：Castellated結(jié)構(gòu)過渡層

●高塑變材料OFHC●中間材料（熱脹系數(shù)介于鎢和銅之間）

W/CuFGM2024/1/224W/CuFGM研究策略

課題研究方案熱-結(jié)構(gòu)分析：溫度場(chǎng)殘余熱應(yīng)力工作熱應(yīng)力材料成分及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料制備服役行為評(píng)價(jià)優(yōu)化制備工藝技術(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化2024/1/225W/CuFGM研究現(xiàn)狀設(shè)計(jì)：

●數(shù)值計(jì)算

●有限元模擬

制備：

●

粉末冶金

燒結(jié)溶滲，熱壓燒結(jié)，熔鑄-擴(kuò)散，超高壓燒結(jié)，放電等離子體燒結(jié)。。。

●涂層方法

等離子體噴涂，激光熔覆，氣相沉積。。。。性能評(píng)價(jià)：●高熱負(fù)荷性能評(píng)價(jià)●服役性能評(píng)價(jià)PM-ThicklayeredFGMVPS-ThinlayeredFGM2024/1/226研究目標(biāo)采用有限元熱結(jié)構(gòu)分析，針對(duì)未來穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的鎢銅模塊界面進(jìn)行梯度過渡層材料、結(jié)構(gòu)和成分的優(yōu)化；進(jìn)行等離子原位熱流輻照實(shí)驗(yàn)，研究等離子輻照環(huán)境下的外表損傷及界面行為；進(jìn)行高熱負(fù)荷性能測(cè)試，熱響應(yīng)過程及其熱應(yīng)力場(chǎng)分布〔外表應(yīng)力分布〕，重點(diǎn)研究其高熱負(fù)荷下的外表和界面行為。主要內(nèi)容1234課題提出及研究目標(biāo)研究進(jìn)展存在的缺乏后續(xù)方案2024/1/228W/CuFGM的熱結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化W/CuFGM的制備及表征W/CuFGM的托卡馬克等離子輻照性能W/CuFGM的高熱負(fù)荷性能研究熱-結(jié)構(gòu)分析根底傳熱學(xué)傳導(dǎo)和對(duì)流〔強(qiáng)制對(duì)流〕穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)傳熱熱應(yīng)力剩余應(yīng)力，工作應(yīng)力有限元方法序貫耦合法非均勻材料力學(xué)Voight，Ressu和kerner復(fù)合材料性能計(jì)算法那么2024/1/2292024/1/2210分析模型設(shè)計(jì)與分析：彈塑性模型flat-type護(hù)瓦型模塊剩余應(yīng)力工作應(yīng)力〔~5MW/m2〕Plane55〔42〕單元軸對(duì)稱約束溫度相關(guān)的材料參數(shù)映射網(wǎng)格界面附近0.05mm材料設(shè)計(jì)2024/1/2211結(jié)論：中間層材料需要一定的厚度來緩解應(yīng)力和降低塑性應(yīng)變;多層材料可明顯降低應(yīng)力，PM-W/CuFGM在厚度方向有很大伸縮性，適合做中間層材料；中間層可明顯降低塑性應(yīng)變，當(dāng)厚度超過0.5mm時(shí)，塑性應(yīng)變消失。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2024/1/2212結(jié)論：梯度層的層數(shù)超過4時(shí)，增加層數(shù)，熱應(yīng)力變化已經(jīng)甚小(<5%)，考慮層數(shù)增加造成工藝的復(fù)雜性，得出n=4是適宜的梯度層層數(shù)；層數(shù)增加，應(yīng)變先減小后增加趨于飽和；厚度一定時(shí)，層數(shù)增加對(duì)溫度的變化影響較小。2024/1/2213結(jié)論：梯度層的成分分布指數(shù)p影響應(yīng)力的大小和分布，當(dāng)p=1.4~1.8〔富鎢〕時(shí)，剩余應(yīng)力與熱應(yīng)力均到達(dá)極?。籶=1.4熱應(yīng)力由上界面向下界面轉(zhuǎn)換，考慮銅疲勞性能及導(dǎo)熱1.4是適宜的梯度分布指數(shù)。成分設(shè)計(jì)W/CuFGM制備2024/1/2214制備工藝：

通電超高壓燒結(jié)技術(shù)

燒結(jié)機(jī)理燒結(jié)梯度材料〔溫度梯度〕

W/Walloylayer

W-20%Culayer

W-40%Culayer

W-60%Culayer

W-80%CulayerpureCuGradeddistributionW/CuFGM梯度表征梯度分布分析：

梯度界面清晰，較好的保持了設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和成分，銅在超高壓力下有塑性流動(dòng)的趨勢(shì)，但燒結(jié)時(shí)間短，抑制了擴(kuò)散W/CuFGM表層表征2024/1/2216細(xì)晶粒純鎢層表征：

顆粒越大，燒結(jié)越充分，燒結(jié)致密度越高；燒結(jié)后，顆粒并未長大，燒結(jié)具有細(xì)晶強(qiáng)化作用；彌散顆粒參加后，對(duì)致密度影響不大，彌散顆粒分散均勻。0.2μm10μmW/CuFGM表層表征鎢復(fù)合材料層熱導(dǎo)率2024/1/2217燒結(jié)鎢的熱導(dǎo)率較好，室溫可到達(dá)150Wm-1k-1彌散顆粒的參加會(huì)引起熱導(dǎo)率的下降W/CuFGM表征2024/1/2218斷口分析：

W-1%TiCPureWW-1%La2O3沿晶斷裂為主，穿晶斷裂為輔；W-1%La2O3與純鎢的端口相似，而W-1%TiC卻以穿晶斷裂為主；W/Cu復(fù)合材料以銅相撕裂為主，同時(shí)與銅比例有關(guān)。RSUHP是制備功能梯度材料的有效方法，其能制備從純鎢向純銅過渡的致密的W/Cu功能梯度材料，其厚度和成分均能到達(dá)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)可以制備出細(xì)晶，顆粒彌散強(qiáng)化的純鎢層材料RSUHP本身具備細(xì)晶強(qiáng)化的功能，彌散顆粒的細(xì)晶強(qiáng)化作用未能表達(dá)出來，但TiC顆粒能對(duì)晶界起到強(qiáng)化的作用制備的鎢和鎢復(fù)合材料的熱導(dǎo)率室溫到達(dá)120Wm-1k-1以上RSUHP不適合納米粉末的燒結(jié)，納米粉末燒結(jié)體致密度低，不易成型2024/1/2219◆Mainparameters:aL~280mm,Ip~150KA,PLHCD~350kW,Totalshots~200cycles,(typical：#111377~#111587)SchematicofdeviceW/CuFGMblock（10X10X12mm）Samplesupport

W/CuFGM的托卡馬克等離子輻照性能

失效行為2024/1/2221宏觀〔大尺度裂紋〕微觀〔濺射腐蝕，局部熔化，微觀裂紋……〕失效行為2024/1/2222MetallicelementsBeforeAfterW99.8455%99.8%Fe0.0793%0.08%Mo--<0.06%Cr--<0.07%Mn--<0.06%Ge--<0.06%Rh--<0.06%開裂行為裂紋沿界面擴(kuò)展表一外表元素XRF分析外表成分失效機(jī)理2024/1/2223機(jī)理分析：?jiǎn)未螣峒虞d，外表溫度和應(yīng)力并不高，但由于未主動(dòng)水冷，溫度和應(yīng)力會(huì)累積;表層鎢的溫度處于鎢脆性階段，易于在熱沖擊下產(chǎn)生大尺度裂紋；微觀裂紋來源于等離子邊界輸運(yùn)的團(tuán)簇效應(yīng)造成的局部過熱。失效過程2024/1/2224結(jié)論：宏觀裂紋產(chǎn)生于外表并擴(kuò)展至界面，被銅抑制，最后沿界面橫向擴(kuò)展，造成界面開裂和表層脫落;微觀裂紋來源于等離子邊界輸運(yùn)的團(tuán)簇效應(yīng)造成的局部過熱，熔化后再凝固過程中的局部大熱應(yīng)力。細(xì)晶強(qiáng)化效果2024/1/2225〔a〕7μm〔b〕1μm〔c〕0.2μm晶粒細(xì)化可以明顯降低裂紋損傷的程度，但由于通電超高壓燒結(jié)的特性，納米粉末的低燒結(jié)性能導(dǎo)致了外表層的脫落顆粒強(qiáng)化效果2024/1/2226W-1%La2O3參加的W-1%La2O3顆粒，外表的裂紋損傷更嚴(yán)重，從裂紋形貌看，發(fā)現(xiàn)了很多橋接，說明彌散顆粒阻止了裂紋的擴(kuò)展，但由于熱導(dǎo)率的下降，外表積累了過多的熱量，溫度過高，熱應(yīng)力過大，使得出現(xiàn)了局部脫落主要內(nèi)容1234課題提出及研究目標(biāo)研究進(jìn)展存在的缺乏后續(xù)方案存在的缺乏HT-7本輪放電以短脈沖放電為主，未能到達(dá)預(yù)期的長脈沖條件，并缺乏相應(yīng)的診斷措施，對(duì)過程只能倒推燒結(jié)樣品較小，未能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)高熱負(fù)荷界面評(píng)價(jià)，性能評(píng)價(jià)只能為制備工藝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考，而未能對(duì)梯度材料的結(jié)構(gòu)，成分設(shè)計(jì)提供參考瞬態(tài)高熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)參數(shù)與預(yù)計(jì)偏差大，同時(shí)也與實(shí)際效應(yīng)偏差大2024/1/2228主要內(nèi)容1234課題提出及研究目標(biāo)研究進(jìn)展存在的缺乏后續(xù)方案后續(xù)方案高熱負(fù)荷性能研究2024/1/2230強(qiáng)流脈沖離子束設(shè)備〔瞬態(tài)熱負(fù)荷〕示意圖

實(shí)驗(yàn)方案及樣品已經(jīng)準(zhǔn)備好

實(shí)驗(yàn)儀器在預(yù)約等待時(shí)間中論文成果2024/1/2231文章成果：[1]朱大煥，王坤，王先平，劉長松，方前鋒，陳俊凌，偏濾器第一壁W/CuFGM的熱應(yīng)力模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]，稀有金屬材料與工程，2021.9,40〔9〕1658-1661.[2]ZhuDahuan,LiuYang,ChenJunling,YanRong,Thermo-mechanicalcalculationonVPS-WcoatingusedastheplasmafacingmaterialsinEAST,PlasmaScience&Technology(accepted).[3]ZHUDahuan,WANGKun,WANGXianping,CHENJunling,etalResidualthermalstresssimulationandanalysisonCVD-Wcoatingforfusionapplication,ThefourteenNuclearPhysicsconferenceofChina,Sep.1-5,2021Hefei,Anhui[4]D.H.Zhu,J.L.Chenetal.Surfacecrackingbehaviorsofsinteredultra-finegrainedtungstenundertheedgeplasmairradiation,nuclearfusionandplasmaphysics,(submit)[5]D.H.Zhu,J.L.Chenetal.Developmentofmulti&thick-layeredW/Cufunctionallygradientmaterial,willsubmittoJournalofnuclearmaterial,(submit)[6]鄢容，陳俊凌，朱大煥，劉洋