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中科院成功研制高强韧钼合金,可用于外太空核反应堆

来源:转载 作者:江西省新余市 人气:964 发布时间:2022-02-25 08:51:41
摘要:纳米结构Mo-ZrC合金的室温抗拉强度达928MPa、延伸率为34.4%(图1),比工业中广泛应用的TZM合金分别提高26%和一倍以上;在1000℃时,Mo-ZrC合金的抗拉强度(562MPa)比纯钼、纳米结…

原标题:中科院成功研制高强韧钼合金,可用于外太空核反应堆

(观察者网讯)据中科院合肥研究院网站23日消息,中科院合肥研究院固体所内耗与固体缺陷研究部与中国核动力研究设计院合作在高性能钼合金研究方面取得新进展,相关研究成果最终于本月17日定稿发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia上。

空间核反应堆具有环境适应性好、功率覆盖范围广、结构紧凑以及大功率条件下质量功率比小等突出优点,在大功率地球轨道卫星、深空探测以及月球行星基地供电等方面具有广阔的应用前景。空间堆中,包壳及堆芯结构材料面临高温、中子辐照及液态碱金属腐蚀等苛刻服役环境,是制约空间堆技术发展的瓶颈之一。钼(Mo)及其合金由于高熔点、高热导率、与碱金属相容性好等优点,是空间堆关键候选材料,但纯钼存在室温塑性低、高温强度不足、再结晶脆性和辐照脆化等问题。

为了改善钼合金的力学和抗辐照性能,科研人员在合金化和弥散强化方面开展了大量研究。然而,目前钼合金材料在强度、塑性及高温稳定性上往往顾此失彼。例如,在钼中引入细小的氧化物颗粒能够显著提高强度和再结晶温度,但氧化物颗粒在高温下容易长大,导致应力集中和塑性降低,而且在高温时的强度显著降低。研究团队通过计算模拟发现,晶/相界面上间隙氧的偏聚会显著降低Mo材料的强度和延展性,而间隙C原子和ZrC颗粒可以有效提高界面的强度。基于此,研究团队提出通过纳米碳化物弥散、细晶强化和晶界净化来协同提升钼合金综合性能的研究思路:采用高熔点(3540℃)、高硬度、低中子吸收的纳米ZrC颗粒作为增强相,用于钉扎位错和晶界、细化晶粒,提高材料的强度和高温稳定性;另一方面,ZrC颗粒能吸收杂质氧,降低杂质O对晶界的脆化作用,从而改善晶界结合及低温韧性。此外,纳米颗粒与基体之间形成的界面可以吸收辐照缺陷,有望改善材料的抗辐照性能。

基于上述研究思路,研究团队通过粉末冶金法和高温旋锻制备了室温及高温下均具有优异力学性能的纳米结构Mo-ZrC合金。纳米结构Mo-ZrC合金的室温抗拉强度达928MPa、延伸率为34.4%(图1),比工业中广泛应用的TZM合金分别提高26%和一倍以上;在1000℃时,Mo-ZrC合金的抗拉强度(562MPa)比纯钼、纳米结构Mo-La2O3、La2O3-TZM等合金提高50%以上;在1200℃高温下,Mo-ZrC合金的强度优势更为显著,其抗拉强度比氧化物弥散强化钼提高一倍以上,同时保持优良塑性。此外,该合金的再结晶温度比纯Mo提高约400°C,具有优异的高温稳定性(图2)。上述结果表明,纳米结构Mo-ZrC合金在室温及高温下均具有优异的强韧性,与已报道的同类材料相比具有明显优势。

图1. 纳米结构Mo-ZrC合金的微结构、室温工程应力-应变曲线以及不同类型钼材料在室温和1000℃高温下的力学性能比较。

图2. 高温退火前后纳米结构Mo-ZrC合金和纯Mo的晶粒组织。

据悉,该论文的第一作者为博士生景柯,共同通讯作者为副研究员刘瑞和研究员吴学邦。在此基础上,研究团队研发了高性能钼合金棒材、板材及薄壁管(图3),为其在先进核能系统和航空航天等领域的应用奠定良好基础。

图3. 研制的Mo-ZrC合金棒材、板材和薄壁管。

上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、反应堆燃料与材料重点实验室基金和中科院合肥研究院院长基金的资助。

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责任编辑:江西省新余市

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