变形量对纯钨热导率及再结晶温度的影响_代少伟.pdf

第 37 卷第 3 期China Tungsten IndustryVol.37,No.32022 年 6 月Jun.2022收稿日期：20220511资助项目：国家磁约束核聚变能发展研究专项（2018YFE0312100）；四川省科技创新人才项目（2022JDRC0019）作者简介：代少伟（1992），男，福建漳州人，硕士研究生，工程师，研究方向：难熔金属制备工艺。通讯作者：宋久鹏（1978），男，江苏如皋人，教授级高级工程师，本刊中青年编委，主要从事难熔金属粉末冶金研究。DOI:10.3969/j.issn.1009-0622.2022.03.008变形量对纯钨热导率及再结晶温度的影响代少伟1,2，梁孟霞3，颜彬游1,2，蒋香草1,2，宋久鹏1,2,3，练友运4，刘翔4（1.厦门钨业股份有限公司，福建 厦门 361009；2.国家钨材料工程技术研究中心，福建 厦门 361009；3.西华大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610039；4.核工业西南物理研究院，四川 成都 610041）摘要：采用粉末冶金及高温锻造工艺制备了 3 种规格的纯钨棒材，研究了不同变形量钨棒的微观组织、热导率及再结晶温度的差异。结果表明，随着变形量的增加，纯钨棒的相对密度和维氏硬度都呈现出先快速上升后趋于平缓的趋势，晶粒长径比逐渐增大且晶粒组织逐渐细化，最终呈现出纤维状。由于密度提升及孔隙率降低，纯钨棒的热导率及热扩散系数都随对数应变的增大有一定的提升，而当纯钨棒趋于完全致密化后，其热导率差异较小。对数应变为 1.57 的纯钨棒的再结晶温度最高，约为 1 520。经 1 450 保温 1 h 退火后，对数应变 0.88 的纯钨棒整体晶粒组织已经明显变大，而对数应变为 2.95 的纯钨棒已经形成等轴晶。对数应变为 2.95 的纯钨棒再结晶后的晶粒组织比对数应变为 0.88 和 1.57 的要更加均匀细小。关键词：钨；变形量；热导率；再结晶温度；面向等离子体材料中图分类号：TG146.4文献标识码：A0引言热核聚变能是解决人类社会能源问题与环境问题的主要途径之一，聚变堆中的面向等离子体材料（Plasma Facing Materials，PFMs）需要承受来自聚变环境中的高热负荷沉积、高通量等离子体及高能中子辐照等，是保护真空室内壁免受高温等离子体直接辐照的关键屏障，直接关系到聚变堆的安全运行。钨具有高熔点、高硬度、高导热、高强度、低蒸气压、低的氚滞留性能等优点，被认为是未来聚变堆最有希望的 PFMs1-2。虽然商业纯钨（W99.95%，质量分数）被选为国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）偏滤器的 PFMs，但是未来聚变堆与 ITER相比，运行时间更长，偏滤器的服役环境更苛刻。在高达 20 MW/m2左右的超高循环热负荷作用下，钨材料表层产生的高温会使得其热导率急剧降低3。有研究表明，纯钨在 27.5 的热导率约为165.13 Wm-1K-1，但在 1 000 时其热导率降低了近 21%，为 129.62 Wm-1K-1，这大幅度影响部件散热能力；且累积的大量热应力会导致钨材料产生塑性变形4，甚至出现深层次的微裂纹5。采用热-力有限元分析对 ITER 穿管模块结构设计进行了应变疲劳寿命和棘轮效应的计算，表明当钨发生再结晶后，塑性变形会有明显的周期性累积效应，寿命将大幅度降低5。因此，热导率和再结晶温度（Recrystallization Temperature，RCT）是钨作为PFMs 的关键性能指标，开展相关的研究对于提升材料的抗极端高热负荷能力具有重要的意义和应用价值。对于金属材料而言，不同的晶粒取向通常会导致热导率的差异6-7，但纯钨材料晶粒的各向异性对其热导率的影响并不显著8。纯钨热导率的差异主要缘于加工方式及变形量的不同9。Zhang 等10制备了厚度 30 mm 的纯钨板坯，并测量了不同变形量纯钨轧板的热导率，发现其热导率随轧制变形量的增加呈现先升高后降低的趋势，相对变形量 60%的轧制纯钨板具有最高的热导率和最佳的夏比冲击第 3 期代少伟，等：变形量对纯钨热导率及再结晶温度的影响71性能。虽然纯钨的热导率和相对密度成正比11，然而大变形量产生的大量残余应力，这些残余应力会促进裂纹、位错等缺陷的形成，从而造成热导率的降低12。一般来说，纯钨的 RCT 随着加工变形量的增加而降低13，其完全再结晶温度范围在 1 3001 500 C14。而单纯烧结态的纯钨棒或小变形量锻造态纯钨由于密度不高、强度低、热导性能差等缺点，几乎不能直接加工使用15-16。为了获得合适变形量的纯钨棒，且达到偏滤器模块所用钨块的尺寸要求，需要获得大尺寸的纯钨烧结坯；然而大尺寸纯钨烧结坯各个部分在成形、烧结过程中所经历的热历史均有较大差异，常造成密度不均匀、晶粒非均匀长大、内应力等17，在锻造加工时易产生脆性断裂。因此，制备出高致密度、均匀细晶的大尺寸纯钨烧结坯，是获得合适变形量纯钨棒的前提。因此，针对未来聚变堆偏滤器对大尺寸纯钨材料的需求，本研究采用粉末冶金及高温锻造工艺制备了不同变形量的纯钨棒材，并分析了变形量对锻造态纯钨棒的微观组织、热导率及 RCT 的影响。1试验以自制的纯钨粉末（纯度99.98%，费氏粒度3.0 m）为原料，通过冷等静压成形及中频感应烧结，得到尺寸约直径 70 mm600 mm 的纯钨棒坯。在 1 5001 650 的高温下，锻造出 3 种规格的钨棒，其对数应变（）分别为 0.88、1.57 和 2.95。采 用 密 度 分 析 天 平（XS105，METTLERTOLEDO，精度 0.000 1 g）参照标准 GB/T 38502015 测试纯钨棒的排水法密度，同时利用测得的密度和理论密度（19.3 g/cm3）计算相对密度；采用维氏硬度计（HV-112，Mitutoyo）测量纯钨棒轴向截面 的 维 氏 硬 度 HV10；分 别 采 用 氧 氮 分 析 仪（EMGA-820，HORIBA）和电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，ULTIMA 2）测试 O、C、K、Al 和 Si 等杂质元素含量；晶粒组织采用倒置金相显微镜（MC170 HD，Leica）进行观察，并采用Nano Measurer 软件和截线法测量平均晶粒尺寸和晶粒长径比，各选取 3 张 1 000 倍的金相照片，每张金相照片至少测量 50 个晶粒；通过场发射扫描电镜（SEM，S-4800，Hitachi）观察纯钨棒的断口微观形貌；采用激光导热仪（LFA457，Netzsch）测量热导率，样品尺寸为 10 mm10 mm2.5 mm，测试温度为室温至 1 000，测试面为轴向截面，表面经过 1200#的砂纸磨抛，升温速率 10/min，标样为纯钨，修正模型为 Cowan 模型+脉冲修正。将纯钨棒在不同退火温度下保温 1 h（H2气氛），获得退火后钨材料的维氏硬度随退火温度变化的曲线。参照 RCT 的定义，即经过严重冷变形的金属保温 1 h 再结晶完成 95%所对应的温度18，RCT为硬度值比完全再结晶状态的硬度值高 5%所对应的退火温度，其中完全再结晶状态由硬度没有进一步下降的温度范围确定19。2结果与讨论2.1烧结坯的化学成分与微观组织图 1 为纯钨烧结棒坯的微观组织。在经过中频高温烧结后，钨棒坯的纯度超过 99.98%（质量分数），O、C、K、Al 和 Si 等杂质元素含量均低于510-4%。该纯钨烧结坯的相对密度约为94.4%，维氏硬度约为312.7HV10，平均晶粒尺寸约为23.5m。图 1纯钨烧结棒坯的微观组织Fig.1Microstructureof puretungsten sintered bar billet2.2锻造棒材的密度、硬度及晶粒尺寸图 2（a）为不同对数应变钨棒的相对密度和维氏硬度。从图 2（a）中看出，随着对数应变的增加，锻造钨棒的相对密度和维氏硬度都呈现出先快速上升的趋势，对数应变为 0.88 的相对密度已达到99.3%。这是由于在高温锻造加工过程中，纯钨烧结坯中孔隙受到挤压20，孔隙率逐渐减小，密度逐渐增加21，随着对数应变继续增大，纯钨棒材趋于完全致密化。对数应变 0.88 的纯钨棒其维氏硬度已达到 414.6 HV10，而随着对数应变的继续增加其变化缓慢，这可能是由于此时纯钨内部晶粒的形变储能已开始饱和22；且由于锻造温度较高及变形量过大，变形过程中可能发生了动态回复或动态再结72第 37 卷晶23，导致了材料软化，使得维氏硬度增加变缓。图 2（b）为不同对数应变钨棒的平均晶粒尺寸和晶粒长径比。从图 2（b）中看到，随着对数应变的增大，纯钨棒的晶粒逐渐细化，平均晶粒尺寸由23.5m减小到 5.3 m；且晶粒沿着轴向方向逐渐伸长，晶粒长径比由 1.3 增大到 4.9。图 3 和图 4 为不同对数应变钨棒的轴向断口微观形貌及径向截面、轴向截面的微观组织。从图 3和图 4 中发现，烧结态（对数应变为 0）纯钨棒呈现出等轴状的晶粒组织，随着对数应变的增大，钨晶粒沿着变形方向即棒材轴向方向逐渐伸长；当对数应变为 0.88 时，烧结坯的大尺寸孔隙已基本消失，部分钨晶粒变形且沿着轴向伸长，但还有部分晶粒仍然呈现等轴状的形态；随着变形量继续增大，更多的钨晶粒发生偏转且具有相近取向的特征也更加显著24，对数应变为 1.57 的纯钨棒其晶粒沿着轴向方向伸长更加明显，平均晶粒尺寸减小，晶粒长径比逐步增大；当对数应变达到 2.95 时，具有相近取向的钨晶粒构成了纤维状的晶粒组织区域，且基本全部呈现出纤维状的形态。(a)相对密度和维氏硬度；(b)平均晶粒尺寸和晶粒长径比图 2不同对数应变钨棒的相对密度、硬度和晶粒尺寸变化Fig.2Evolutions of relative density,hardness and grain size of pureW rods with various logarithmic strain对数应变：(a)0；(b)0.88；(c)1.57；(d)2.95图 3不同对数应变钨棒的轴向断口微观形貌Fig.3Axial fracture morphology of pureW rods with various logarithmic strains第 3 期代少伟，等：变形量对纯钨热导率及再结晶温度的影响73径向截面：对数应变(a)0.88；(b)1.57；(c)2.95；轴向截面：对数应变(d)0.88；(e)1.57；(f)2.95图 4不同对数应变钨棒的微观组织Fig.4Microstructure of pureW rods with various logarithmic strains2.3变形量对热导率的影响图 5 为不同对数应变钨棒的热物理性能。在图5（a）和图 5（b）中，纯钨棒的热导率和热扩散系数都均随着温度的升高而逐渐降低，表现出对温度的强依赖性，但热导率和热扩散系数随着对数应变的增大反而略微增大。热导率是热扩散系数、比热和密度的乘积25，对数应变的增加导致纯钨棒的孔隙率降低，密度有些许提升；另外钨晶粒之间的接触率提高，热扩散系数也有一定的提升。在图 5（c）中，比热随着温度的升高而增加，这是由于金属的比热仅与金属离子的振动有关，当温度升高时，金属离子的振动加剧，因吸收能量而导致金属比热增加。因此，纯钨棒的热导率随对数应变的增加而提(a)热导率-温度；(b)热扩散系数-温度；(c)比热-温度图 5不同对数应变钨棒的热物理性能Fig.5Thermal properties of pureW rods with differentlogarithmic strains74第 37 卷高。此外，在图 5（c）中发现，对数应变 1.57 的纯钨棒的比热稍高于对数应变为 2.95 的纯钨棒，这可能是由于本试验的比热是通过激光闪射法（LaserFlash Apparatu，LFA）测试的，与差示扫描量热分析