钨表面WTaVNbMo难熔高熵合金层制备与性能研究

作     者：黄天阳 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田林海

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：第一壁材料 难熔高熵合金 双辉技术 力学性能 耐蚀性 辐照模拟 

摘      要：目前,核聚变堆中的第一壁材料选择已经成为亟待解决的“卡脖子难题,钨因其高热导率、高熔点、高溅射阈值等优点成为了最有前景的第一壁候选材料,但自身的一些本征属性导致的性能缺陷迫使它进行强化和改性。而含钨高熵合金作为一种新型抗辐照材料已被证实具有多种优良的力学性能、机械性能和耐腐蚀性能,但由于常见的熔炼铸态块状高熵合金难以满足大型第一壁材料的形状和组织结构要求,因此高熵合金涂层材料成为了新的研究方向。本文采用双层辉光等离子表面冶金技术,以粉末冶金WTaVNbMo合金作为源极靶材,采用不同工艺参数在纯钨表面制备了WTaVNbMo难熔高熵合金层,用扫描电镜(SEM)及其所附能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)检测合金层的显微组织和相组成,用显微硬度计、摩擦磨损试验仪和电化学工作站测试了合金层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。并且用SRIM软件模拟分析了高熵合金层和W的抗辐照性能。研究结果表明:(1)压差梯度实验为:控制工件极温度为1200℃,源极和阴极电压差分别为300V、400 V和500 V。随着电压差的增加,合金层表面颗粒聚集长大,高压差下出现择优生长现象,结构更致密。由于“反溅射效应的影响,三组试样均出现元素含量差异,并且在涂层生长结构的前端,元素容易发生偏聚。在500 V压差下,多相结构转变为单一bcc相,出现沿(110)晶面生长的择优取向。三种涂层均可以通过硬质元素的固溶强化来提升表面硬度和强度。400 V压差下合金层的摩擦系数最低,失重最少,表现出最优的耐磨性能。三种涂层均可有效提高基体在0.5 mol/L HSO溶液中耐蚀性,500 V压差下效果最为明显。(2)变压差实验为:工件电压稳定在500 V,源极电压每隔1h升高100 V,从900V升至1200 V;另一组为源极电压每隔1 h降低100 V,从1200 V降低至900 V。降压差工艺下涂层由于择优生长而呈现多角型立体结构,表面平整,致密度高。两种涂层都存在分层结构,各元素在每层有不同的变化趋势。两种涂层均为单一bcc结构,降压差工艺下涂层颗粒出现沿(110)晶面生长的择优取向,且晶格常数变大。两种涂层均可以大幅提升基体表面硬度,升压差工艺下涂层硬度达到1355 HV。升压差制备的涂层摩擦系数最低,波动幅度最小,耐磨性有所提升。两种涂层均可提升材料在0.5 mol/L HSO溶液中的耐蚀性能。(3)比较两组工艺的结果,300 V压差下的涂层元素含量分布最为均匀,但组织结构疏松,导致各方面性能表现不够好;400 V压差下的涂层耐磨性能表现最好;500V压差下择优生长的涂层硬度和耐蚀性最优,但耐磨性最差。在变压差实验组中,升压差制备的涂层更厚、近表层元素分布均匀,硬度、耐磨性、耐蚀性均出现明显提升,综合性能优异,达到了实验预期的改进效果。(4)用SRIM软件以50 keV He离子入射模拟了纯W和WTaVNbMo难熔高熵合金层的抗辐照性能。相比于纯W,高熵合金层的损伤范围更集中,最大射程缩短了2/3,杂质原子浓度更低;电离损失占比98.71%,电子阻止本领更大,加速了He离子的慢化过程;辐照产生的离位原子、空位和置换原子数均大幅减少,可有效抑制离子注入范围内点缺陷的形成。整体来看,WTaVNbMo难熔高熵合金层具有更优秀的抵抗高能He离子辐照能力。