核聚变装置偏滤器靶板材料选择与研究进展

可控热核聚变能是人类最理想的清洁能源之一,是解决人类能源和环境问题的根本途径。目前,可控热核聚变能的发展面临诸多挑战,偏滤器靶板作为磁约束核聚变装置中的重要部件,其设计和制造是维持等离子体放电、实现核聚变反应堆稳定运行亟需解决的关键问题之一。作为等离子体轰击最严重区域,偏滤器靶板经受着高能粒子流辐照和高热负荷冲击(10 MW·m^(-2)稳态负荷和20 MW·m^(-2)瞬态负荷),同时承担着磁约束聚变装置最主要的排热功能。因此,研发具有优异性能的靶板材料是推动核聚变能发展的关键一步。目前,金属铍、碳基材料以及钨基材料是主要的3种偏滤器靶板候选材料。基于国内外现有研究成果,论述了偏滤器靶板材料的选择与研究进展,对比分析了3种候选材料的优势以及存在的问题,以期为偏滤器靶板材料的选择、研发提供借鉴。

冷轧和再结晶退火对Ta-2.5W合金组织和力学性能的影响

采用电子束熔炼法制备了Ta-2.5W合金,研究了18.8%、48.5%和75.8%不同冷轧变形量对Ta-2.5W合金显微组织和力学性能的影响,并研究了退火对冷轧Ta-2.5W合金显微组织、性能及织构的影响。结果表明:随着变形量的增加,合金的晶粒不断压扁拉长,变形量75.8%时已经形成明显的纤维组织,合金的硬度和强度随着变形量的增加不断提高,原因是加工硬化。开始变形时合金组织中形成{111}<110>、{111}<121>织构,随着变形量增加,开始出现{100}<110>织构,{111}<121>织构逐渐消失,当变形量达75.8%时主要为{100}<110>织构,只剩下较少的{111}<110>织构;随着退火温度的升高,合金的纤维状组织开始逐渐消失,出现大量的等轴晶粒,发生了再结晶,晶粒尺寸、分布更为均匀,织构强度逐渐降低;1450℃退火保温1 h后,合金再结晶比例达到95.7%,已基本完成再结晶,此时合金中的织构强度大幅降低,约为冷轧态时的50%;退火后合金的强度降低,但塑性显著增加,有利于其后续变形加工。

时效处理对Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合材料组织及性能的影响

以Cu、Y、Ti和CuO粉末为原料,采用机械合金化(MA)和热还原的方法制备了Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合粉末。然后经放电等离子烧结(SPS)技术制备了Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合材料,并对材料进行了900℃固溶1 h和不同温度时效2 h的处理。采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、拉伸试验和导电率测量仪等研究了不同温度时效处理对Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合材料组织及性能的影响。结果表明:随着时效温度的升高,Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合材料的晶粒和第二相尺寸增大,导电率降低,最大应变和抗拉强度先增大后减小。Cu-Y_(2)O_(3)-Ti复合材料经900℃固溶1 h+400℃时效2 h后,综合性能最优,其具有良好塑性的同时,抗拉强度和导电率分别达到326.4 MPa和73.0%IACS。

基于小冲杆试验的纯钨韧脆转变温度测定及其变形特性

在不同温度(25,200,300,400,500℃)下对纯钨进行小冲杆试验,获得断裂能与温度之间的关系,拟合得到纯钨的韧脆转变温度;对不同温度小冲杆试验后的纯钨断口形貌进行观察,探究纯钨在小冲杆试验中的变形特性。结果表明:在25,200℃下纯钨处于完全脆性状态,在300℃下处于半脆性状态,而当温度达到400℃后,纯钨表现出良好的塑性;在250~400℃范围内纯钨的断裂能急剧升高,拟合得到的韧脆转变温度为(342±8)℃。当温度低于韧脆转变温度,纯钨断口存在沿轧制方向的长直裂纹,断裂特征随温度升高由沿晶断裂向穿晶断裂转变;当温度高于韧脆转变温度,断口出现帽形挤出形貌以及环形裂纹和短缺口裂纹,并且环形裂纹处存在大量韧窝,断裂特征为韧性断裂,且短缺口裂纹处出现钨分层现象。

Hf含量对湿化学法制备超细W-Y_(2)O_(3)复合材料显微组织与性能的影响

本文在现有W-Y_(2)O_(3)材料基础上,引入微量Hf4+掺杂入Y_(2)O_(3),调节Y_(2)O_(3)与W晶粒之间的界面关系,从而改善W基材料的综合性能。通过改变Y与Hf元素的掺杂比例,获得纳米级W基复合粉体,在氢气气氛下常规烧结制备W-Y_(2)(Hf)O_(3)复合材料。采用SEM、TEM等表征手段对W-Y_(2)(Hf)O_(3)复合材料的性能进行表征分析,研究Y与Hf元素在材料中的作用规律。结果表明:掺杂Hf元素有利于后续氢气还原,在第二相掺杂量不变条件下,当Hf含量增加时,所获得的粉体粒径减小,W-3Y-7Hf的粒径约为100 nm,明显小于传统制备的W-Y_(2)O_(3)粉体。烧结后的块体晶粒尺寸细化,显微硬度和相对密度随之增大,成分为W-3Y-7Hf烧结块体显微硬度最高,为513.7HV_(0.2),致密度为97.6%。在钨基材料中同时添加Y与Hf元素会在钨晶粒的晶界与晶内处形成复合第二相氧化物Y_(2)Hf_(2)O_(7)颗粒,尺寸更小,弥散强化作用更强;其中,W-3Y-7Hf中第二相氧化物颗粒尺寸仅为200 nm左右,与钨晶界产生良好的界面结合关系,形成半共格界面。

表面织构-活性屏离子氮化复合处理对38CrMoAl钢摩擦学行为的影响

【目的】38CrMoAl钢是液压泵柱塞常用材质之一,其表面性能对液压泵长寿命安全服役尤为重要。磨损是液压泵柱塞的主要失效方式,采用表面强化处理能够突破其性能极限,是实现液压泵高性能、高可靠运行的有效途径。【方法】采用表面织构化和活性屏离子氮化的复合处理工艺对38CrMoAl钢进行表面形性调控,以期实现其表面强化方法。先利用激光加工技术在38CrMoAl钢表面制备凹坑织构,再对38CrMoAl钢和表面织构化38CrMoAl钢进行活性屏离子氮化处理。借助球-盘式摩擦磨损试验机研究表面织构-活性屏离子氮化复合处理对38CrMoAl钢摩擦学行为的影响。【结果】结果表明,38CrMoAl钢表面生成了ε-Fe2-3N、γ'-Fe4N和CrN;氮化层表面致密且无明显裂纹和孔洞;氮化层均匀、连续,由白亮层和扩散层组成。氮化层的截面硬度呈梯度分布,试样表面硬度最高,随着距表面距离的增大,硬度逐渐降低。38CrMoAl钢相关试样与Al_(2)O_(3)球的干滑动摩擦结果可知,38CrMoAl钢的摩擦系数为0.40,而表面织构-活性屏离子氮化38CrMoAl钢的摩擦系数为0.36;经复合处理后,38CrMoAl钢的磨损失重降低了92.5%.复合处理显著提高了38CrMoAl钢的摩擦学性能。

第二相成分改性硬质合金的研究进展

系统地论述了第二相成分改性硬质合金的研究进展,介绍了在碳化钨(WC)基硬质合金中添加第二相元素或化合物成分改性硬质合金的作用机理、改性剂种类及力学性能,并分析总结了掺杂第二相对硬质合金力学性能的提升机制。不同种类和含量的添加剂成分改性硬质合金作用效果不同,分类对比了不同添加剂和制备方法对硬质合金力学性能的影响,结果表明硬质合金的综合力学性能主要与晶粒细化程度和显微界面结构有关,添加的第二相能够与WC基体形成一定的配位结构,有效抑制WC晶粒生长,从而使合金性能获得提升。最后总结了当前第二相成分改性硬质合金的发展瓶颈和仍待解决的问题。

HfO_(2)掺杂对湿化学法制备W-20Cu复合材料微观组织和性能的影响

采用湿化学法制备W-20Cu复合粉体,通过喷雾干燥法得到球壳状前驱体,再通过氢气还原成功将弥散分布的HfO_(2)第二相颗粒引入W-20Cu复合粉体,确定了引入的HfO_(2)在W-20Cu复合粉体中的存在形式以及分布状态。采用高温液相烧结制备了细小HfO_(2)颗粒均匀分布的W-20Cu复合材料。结果表明:由于HfO_(2)颗粒在W颗粒表面和W/Cu界面间隙中弥散分布,抑制了W颗粒在烧结过程中的粗化,从而降低了W-W的连通性,使得W-20Cu复合材料表现出较高的综合性能。其中,烧结温度在1350℃时,块体的致密度较高,均为97%,掺杂0.5%HfO_(2)制备得到的复合材料综合性能最佳,其硬度最大可达到338HV,抗弯强度为826 MPa,热导率为209 W/(m·K)。

绿色信贷下电池厂及车企研发创新模式与策略研究

绿色信贷对研发投入、创新效应的促进作用受车企及电池厂研发模式与策略的影响。本文分别构建了车企与电池厂单一主导研发和双方独立研发模式下的供应链博弈模型,通过研发投入、创新效应的分析,对不同模式及策略进行了对比。结果表明:不论是从社会效益还是创新效应看,电池厂主导的单一研发模式都不是最理想的策略,不能最大发挥绿色信贷的促进作用;绿色信贷下,合作对电池厂及车企研发投入的促进作用受电池成本比例、资金时间价值以及绿色信贷利率的影响;当单一方主导研发时,绿色信贷总能激励车企投入更大研发,而只有在合作状态下,才能提升电池厂的研发努力,而当双方独立研发时,绿色信贷下车企研发投入增加,而电池厂选择搭便车。

偏滤器部件中W/Cu模块传热的数值模拟分析

利用理论公式和CFX仿真分别对偏滤器部件中平板型W/Cu模块进行稳态热分析,获得了不同热流密度下W/Cu模块的温度场和应力场的变化。理论计算得到的对流传热系数约为52304W·(m^(2)·K)^(‒1),而用CFX仿真分析得到的为35168~52186W·(m^(2)·K)^(‒1)。此外,两种稳态热分析方式得到的W/Cu模块的温度场数值相近;在20MW·m^(‒2)热流密度下,W/Cu模块的温度场、应力场分析结果均超出了对应材料的许用范围,严重影响了偏滤器部件的稳定运行。

SPS制备SPTAs块体过程的有限元模拟及其微观组织分析

本文结合实验和模拟,系统研究了放电等离子体烧结(spark plasma sintering,SPS)制备自钝化钨合金(self-passivation tungsten alloys,SPTAs)块体时的温度场、电流场对其组织均匀性的影响,建立烧结温度、时间、电流密度与块体微观组织的关系。结果表明:不同尺寸SPTAs块体在SPS固结时的温度沿径向分布不均,致使测量温度远低于样品实际温度。结合显微组织表征,发现提高样品烧结时的电流密度可缩短烧结时间,对获得细晶、均质结构样品有积极作用,但需要考虑样品因径向温度梯度引起的晶粒尺寸差异。本研究可为大尺寸SPTAs块体的SPS制备工艺设计提供参考。

面向等离子体材料用先进钨复合材料的改性研究进展与趋势

核聚变能是解决未来社会能源危机的有效途径之一,但面向等离子体材料在聚变堆体中面临着来自等离子体严重的辐照和热冲击损伤。纯钨因其高热导率、良好的高温强度、低溅射和低蒸气压而被认为是最有希望的面向等离子体候选材料。纯钨在聚变堆工况条件下具有严重的脆性风险,因而对面向等离子体材料用先进钨材料的改性成为近年来的研究热点。钨基复合材料的改性方法主要包括合金化、第二相强化、纤维增韧和复合强化。本文综述了近年来国内外针对核聚变反应堆面向等离子体材料用钨基复合材料的改性方法及其性能,分析了钨基复合材料的改性机制,并展望了面向等离子体材料用钨基复合材料的发展方向。

轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展

【目的】为提升柱塞泵的性能、寿命与安全运行提供参考。【方法】从理论计算及仿真的角度综述了柱塞副的油膜特性,针对其厚度场、压力场和温度场进行了分析,概述了柱塞副的摩擦学特性、润滑介质和匹配材料对其摩擦学行为的影响,列举了具有更低磨损率的柱塞副匹配材料,阐述了表面织构的润滑减摩机理及表面织构的形状、面积率和尺寸及分布方式等因素对柱塞副摩擦学性能的影响。【结论】轴向柱塞泵是液压装备的核心元件,被称作液压系统的“心脏”。柱塞泵关键摩擦副服役状态下的磨损严重威胁着装备的可靠运行和长寿命服役安全,更是制约柱塞泵发展和应用的技术瓶颈。柱塞副是轴向柱塞泵中数量最多、最为关键的摩擦副之一,其摩擦学性能直接决定了柱塞泵的服役寿命。当柱塞副油膜润滑不良时,轴向柱塞泵会严重损坏。

热处理对Y_(2)O_(3)掺杂WC-Co硬质合金显微组织及性能的影响

采用固液掺杂法和放电等离子烧结制备了WC-Co-Y_(2)O_(3)硬质合金,随后对其进行了不同温度的退火处理。采用光学显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和维氏硬度计等研究了热处理前后WC-Co-Y_(2)O_(3)硬质合金的显微组织和力学性能。结果表明:氧化钇的加入可以细化WC-Co-Y_(2)O_(3)合金中的WC晶粒,提高了合金的维氏硬度和断裂韧性;随着退火温度的升高,WC-Co-Y_(2)O_(3)合金的维氏硬度逐渐降低,断裂韧性先升高后降低;WC-Co-Y_(2)O_(3)合金在500℃退火时拥有最佳的综合性能,维氏硬度为(1377±15)HV30,断裂韧性为(13.0±0.4)MPa·m^(1/2)。

合金元素Zr对Cu-Y_(2)O_(3)复合材料组织和性能的影响

通过机械合金化和放电等离子烧结制备Cu-Y_(2)O_(3)和Cu-Y_(2)O_(3)-Zr复合材料,并采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、电导率和拉伸实验对其组织和性能进行系统研究。研究发现,复合材料的显微组织对其力学性能和电导率具有很大影响。电学性能的改善可归因于共格Y4Zr_(3)O_(12)粒子的形成和Cu_(4)Zr相的优先成核,它们分别改善了Y_(2)O_(3)和Cu基体之间的界面以及降低了位错密度。此外,Cu-Y_(2)O_(3)-Zr复合材料的屈服强度为265.6MPa,极限抗拉强度为301.0MPa,伸长率为23.6%,电导率达到92.0%(IACS)。

以学促教模式下的材料专业实验课程建设和教学探索

以材料专业绝热材料圆球法导热系数测定实验为例,阐述在教学中坚持“以学生为中心”,开展多形式的实验教学探索,促进工科大学生知识、能力、素质等综合培养的方法和路径。吸纳学生参与实验过程的前期探究,基于获得的数据,师生共同设计实验教学方案并将其应用于实验教学;鼓励学生协助教师利用信息技术手段建设教学资源,解决教学难点问题,强化师生互动,实现以学促教;利用雨课堂开展混合式实验教学,加强实验课程建设。

掺杂Y_(2)O_(3)钨基复合材料在近韧脆转变温区的静载拉伸特性

制备了掺杂质量分数分别为0.5%,2.0%Y_(2)O_(3)的钨基复合材料,研究了其显微组织,通过不同温度(25~800℃)下的拉伸试验分析了其近韧脆转变温区的变形特性。结果表明:2种复合材料均存在由轧制变形导致的大量位错,Y_(2)O_(3)颗粒对位错运动起到钉扎作用;Y_(2)O_(3)掺杂质量分数为2.0%的复合材料的晶粒更细小,发生韧脆转变的温度更低,在300~400℃拉伸时发生半脆性行为,断口区域位错密度在3.8×10^(15)~3.9×10^(15)m^(-2),在600~800℃下发生明显塑性变形,位错密度增加至6.2×10^(15)~6.8×10^(15)m^(-2)。

弥散强化铜中碳纳米管和氧化钇的协同强化机制

采用固液掺杂结合放电等离子体烧结法制备了Y_(2)O_(3)和CNT两种增强相材料协同强化Cu基复合材料。研究了不同含量增强相对复合材料力学性能和物理性能的影响,并研究了氧化钇和碳纳米管颗粒的协同强化机制。结果表明:Y_(2)O_(3)具有弥散强化作用,在烧结过程中阻碍了铜晶粒的生长,并对位错运动起到钉扎作用,可提高复合材料的强度;碳纳米管对复合材料导电性能的提升起着重要作用;Cu-0.9 vol%Y_(2)O_(3)-0.9 vol%CNT复合材料的综合性能最佳,导电率达到92.43%IACS,硬度、抗拉强度和伸长率分别为107.25 HV0.1、182.29 MPa和20.93%。复合材料的强化机制主要为奥罗万机制、细晶强化、热失配强化和载荷转移强化。

合金元素对掺杂钨基材料力学、抗辐照性能影响研究进展

文章综述了合金元素对钨基材料力学性能的影响,并讨论了合金元素增强钨基材料在D、He离子等不同辐照条件下的损伤行为。重点讨论了合金元素改性、第二相与合金元素复合改性中组分设计对钨基材料性能的影响。改性钨基材料所添加的元素有Re、Ta、V等,第二相颗粒有Y2O3、La2O3、TaC、HfC、ZrC、TiC等。合金元素改性钨基材料相比于纯W在强度、硬度和韧性等力学性能以及高温热稳定性上得到了明显的改善。合金元素与第二相改性钨基材料较纯W具有更高的抗D、He离子辐照损伤性能,第二相颗粒能抑制钨在辐照下的缺陷形成和D、He元素的滞留,减少辐照损伤。

以提高学生创造力为目标的金属材料工程专业递进式实践教学设计与探索

“双一流”学科建设下金属材料工程专业的实践教学面临改革。结合创造性思维发展的四个阶段规律,梳理和探讨了金属材料工程专业四年实践教学规划设计:在低年级建立以专业认知为主的实践教学体系,使学生明确专业研究对象及问题;在高年级开展专业技能培训,强化学生的综合实践能力。同时,探索了以综合创新能力培养为导向的金属材料工程专业实践教学体系的建设路径,以期为专业教学改革提供一定参考。