隨著國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃的進(jìn)行和示范性核聚變發(fā)電站(DEMO)設(shè)計(jì)被提到日程上來(lái)，作為核聚變堆中面向等離子體材料和部件的研究也備受人們關(guān)注。鎢及其合金由于具有高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱率、低的濺射產(chǎn)額和低的氚滯留性能等，成為面向等離子體材料的最優(yōu)候選材料。由于面向等離子體材料其工作環(huán)境的要求相當(dāng)?shù)目量?，面向等離子體的鎢要承受等離子體的轟擊損傷，和10～15MW/m2的高熱流，作為冷卻部分的部件需工作在600～700℃的高溫狀態(tài)。由于鎢材料在穩(wěn)態(tài)熱流下的工作溫度范圍是200～1300℃，要使鎢材料在如此高的熱流下能夠正常服役，需對(duì)鎢材料的性能進(jìn)行改善。鎢材料在循環(huán)高熱流的沖擊下會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的破壞，宏觀上結(jié)構(gòu)的破壞是由于微觀結(jié)構(gòu)的裂紋萌生及裂紋擴(kuò)展決定的。因此，加入阻礙裂紋擴(kuò)展的第二相可有效改善鎢材料的抗熱沖擊性。關(guān)于在鎢中添加TiC來(lái)提高鎢的高溫強(qiáng)度和抗燒蝕性的研究已有進(jìn)展，認(rèn)為TiC彌散強(qiáng)化鎢是一種潛在的超高溫材料，但對(duì)于添加TaC彌散強(qiáng)化鎢的熱學(xué)性能的報(bào)道相對(duì)較少。鑒于此，本文使用SPS方法制備了添加納米TaC的燒結(jié)鎢塊，并用管式爐加熱和常溫氬氣冷卻，并循環(huán)多次的方式對(duì)其進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)。通過(guò)比較不同含量的納米TaC和不同的沖擊次數(shù)的燒結(jié)鎢塊力學(xué)性能的變化，來(lái)研究TaC含量和沖擊次數(shù)對(duì)燒結(jié)鎢力學(xué)性能的影響。
所使用的為GW010鎢粉，其粒徑為1μm，含氧量為0.1%。納米碳化鉭粉是使用液相法制備得到的，其粒徑約為50nm，混合粉分散前有一定的團(tuán)聚，殘余碳量小于5%。稱取20g鎢粉向其中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.5%、1%、2%和4%的納米碳化鉭粉，將各成分的粉體進(jìn)行機(jī)械球磨混粉。球磨采用不銹鋼并加有尼龍內(nèi)襯的球磨罐，用Φ8mm×10mm的純鎢棒作為磨球，球磨轉(zhuǎn)速為150r/min，球料比為10∶1(質(zhì)量比)，球磨5h。在球磨過(guò)程中，為了防止粉末在球磨過(guò)程中氧化，預(yù)先將球磨罐抽真空，再充入高純氬氣(純度≥99.99%)作為保護(hù)氣體。將混合后的粉末裝入內(nèi)徑為20mm、外徑為50mm的高強(qiáng)度石墨模具中，在模具和粉末之間墊有石墨紙，以上整個(gè)過(guò)程都在充有氬氣的手套箱中完成。放電等離子燒結(jié)爐型號(hào)為SPS1050，將充有混合粉的模具裝入燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)的工藝條件為：在真空中，從室溫以100℃/min升溫至1500℃，然后以50℃/min升溫至1600℃，保溫1min，隨爐冷卻，燒結(jié)時(shí)的最大壓力為50MPa。對(duì)制備好的試樣進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)，熱沖擊的過(guò)程是將試樣放到管式爐中加熱到800℃保溫5min，然后充入氬氣冷卻，冷卻10min，反復(fù)這樣操作50、100、150次。
經(jīng)過(guò)熱沖擊后TaC彌散強(qiáng)化鎢的相對(duì)密度會(huì)降低，且隨著熱沖擊次數(shù)的增加，其相對(duì)密度下降的幅度就會(huì)越大；熱沖擊后相對(duì)密度的大小還與TaC含量有關(guān)，隨TaC的增多，其相對(duì)密度下降的幅度就會(huì)越大。所以，在沖擊150次TaC含量為4%時(shí)得到了最低的相對(duì)密度(94%)。TaC彌散強(qiáng)化鎢經(jīng)過(guò)熱沖擊后會(huì)出現(xiàn)循環(huán)硬化現(xiàn)象，即維氏硬度隨熱沖擊次數(shù)的增加會(huì)增大，且維氏硬度的循環(huán)硬化率隨TaC含量的增多也會(huì)提高。在熱沖擊150次時(shí)得到的硬度是最高的，當(dāng)TaC為4%時(shí)SPS燒結(jié)鎢的硬度達(dá)到了1300HV0.1/10。50次熱沖擊后TaC彌散強(qiáng)化鎢的抗彎強(qiáng)度提高，當(dāng)TaC為1%時(shí)得到了最大的抗彎強(qiáng)度1103MPa；當(dāng)TaC為4%時(shí)由于熱沖擊后試樣內(nèi)部存在著熱裂紋導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度急劇下降，從1082MPa降低到了560MPa，降低了48.24%。