中科院成功研制高強(qiáng)韌鉬合金納米結(jié)構(gòu)Mo-ZrC合金，可用于外太空核反應(yīng)堆

近日，中科院合肥研究院固體所內(nèi)耗與固體缺陷研究部與中國核動力研究設(shè)計院合作在高性能鉬合金研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果最終于本月17日定稿發(fā)表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia上。

空間核反應(yīng)堆具有環(huán)境適應(yīng)性好、功率覆蓋范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊以及大功率條件下質(zhì)量功率比小等突出優(yōu)點，在大功率地球軌道衛(wèi)星、深空探測以及月球行星基地供電等方面具有廣闊的應(yīng)用前景?？臻g堆中，包殼及堆芯結(jié)構(gòu)材料面臨高溫、中子輻照及液態(tài)堿金屬腐蝕等苛刻服役環(huán)境，是制約空間堆技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。鉬（Mo）及其合金由于高熔點、高熱導(dǎo)率、與堿金屬相容性好等優(yōu)點，是空間堆關(guān)鍵候選材料，但純鉬存在室溫塑性低、高溫強(qiáng)度不足、再結(jié)晶脆性和輻照脆化等問題。

為了改善鉬合金的力學(xué)和抗輻照性能，科研人員在合金化和彌散強(qiáng)化方面開展了大量研究。然而，目前鉬合金材料在強(qiáng)度、塑性及高溫穩(wěn)定性上往往顧此失彼。例如，在鉬中引入細(xì)小的氧化物顆粒能夠顯著提高強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度，但氧化物顆粒在高溫下容易長大，導(dǎo)致應(yīng)力集中和塑性降低，而且在高溫時的強(qiáng)度顯著降低。研究團(tuán)隊通過計算模擬發(fā)現(xiàn)，晶/相界面上間隙氧的偏聚會顯著降低Mo材料的強(qiáng)度和延展性，而間隙C原子和ZrC顆?？梢杂行岣呓缑娴膹?qiáng)度?；诖?，研究團(tuán)隊提出通過納米碳化物彌散、細(xì)晶強(qiáng)化和晶界凈化來協(xié)同提升鉬合金綜合性能的研究思路：采用高熔點（3540℃）、高硬度、低中子吸收的納米ZrC顆粒作為增強(qiáng)相，用于釘扎位錯和晶界、細(xì)化晶粒，提高材料的強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性；另一方面，ZrC顆粒能吸收雜質(zhì)氧，降低雜質(zhì)O對晶界的脆化作用，從而改善晶界結(jié)合及低溫韌性。此外，納米顆粒與基體之間形成的界面可以吸收輻照缺陷，有望改善材料的抗輻照性能。

基于上述研究思路，研究團(tuán)隊通過粉末冶金法和高溫旋鍛制備了室溫及高溫下均具有優(yōu)異力學(xué)性能的納米結(jié)構(gòu)Mo-ZrC合金。納米結(jié)構(gòu)Mo-ZrC合金的室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)928MPa、延伸率為34.4%，比工業(yè)中廣泛應(yīng)用的TZM合金分別提高26%和一倍以上；在1000℃時，Mo-ZrC合金的抗拉強(qiáng)度（562MPa）比純鉬、納米結(jié)構(gòu)Mo-La2O3、La2O3-TZM等合金提高50%以上；在1200℃高溫下，Mo-ZrC合金的強(qiáng)度優(yōu)勢更為顯著，其抗拉強(qiáng)度比氧化物彌散強(qiáng)化鉬提高一倍以上，同時保持優(yōu)良塑性。此外，該合金的再結(jié)晶溫度比純Mo提高約400°C，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。上述結(jié)果表明，納米結(jié)構(gòu)Mo-ZrC合金在室溫及高溫下均具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性，與已報道的同類材料相比具有明顯優(yōu)勢。