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（觀察者網(wǎng)訊）據(jù)中科院合肥研究院網(wǎng)站23日消息，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(dòng)力研究設(shè)計(jì)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(jí)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(diǎn)，在大功率地球軌道衛(wèi)星、深空探測(cè)以及月球行星基地供電等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。空間堆中，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(diǎn)、高熱導(dǎo)率、與堿金屬相容性好等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)的強(qiáng)度顯著降低。研究團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)，晶/相界面上間隙氧的偏聚會(huì)顯著降低Mo材料的強(qiáng)度和延展性，而間隙C原子和ZrC顆粒可以有效提高界面的強(qiáng)度。基于此，研究團(tuán)隊(duì)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(diǎn)（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(cuò)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(duì)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(duì)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%（圖1），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(shí)，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(shì)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(shí)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（圖2）。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(bào)道的同類材料相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖1. 納米結(jié)構(gòu)Mo-ZrC合金的微結(jié)構(gòu)、室溫工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及不同類型鉬材料在室溫和1000℃高溫下的力學(xué)性能比較。

圖2. 高溫退火前后納米結(jié)構(gòu)Mo-ZrC合金和純Mo的晶粒組織。

據(jù)悉，該論文的第一作者為博士生景柯，共同通訊作者為副研究員劉瑞和研究員吳學(xué)邦。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了高性能鉬合金棒材、板材及薄壁管（圖3），為其在先進(jìn)核能系統(tǒng)和航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

圖3. 研制的Mo-ZrC合金棒材、板材和薄壁管。

上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、反應(yīng)堆燃料與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金和中科院合肥研究院院長基金的資助。