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鉬合金——“游刃”于外太空核反應堆與工廠生產之間
2022年03月04日 09:09:37
來源：化工儀器網 作者：羊舌木 點擊量：7627
近日，中國科學院合肥物質科學研究院的固體所內耗與固體缺陷研究部同中國核動力研究設計院合作，研制出一種高性能鉬合金，該種高性能鉬合金或可用于制造太空核反應堆。相關研究成果日前發表在金屬材料期刊《Acta材料》上。
【化工儀器網 項目成果】鉬單質為銀白色金屬，硬而堅韌，化學性質穩定，鉬合金是以鉬為基體加入其他元素而構成的有色合金，其本身就是一種具有高強韌性并且耐高溫的合金。純金屬及合金具有高熔點、高熱導率，高導電性，易與堿金屬相容等優點，早就被航天技術方面的材料學家認為是空間核反應堆的關鍵候選材料。
近日，中國科學院合肥物質科學研究院的固體所內耗與固體缺陷研究部同中國核動力研究設計院合作，研制出一種高性能鉬合金，該種高性能鉬合金或可用于制造太空核反應堆。相關研究成果日前發表在金屬材料期刊《Acta材料》上。
我國研發的新型高強韌鉬合金為太空核反應堆助力
鉬及其合金由于高熔點、高熱導率、與堿金屬相容性好等優點，是空間堆關鍵候選材料，但純鉬存在室溫塑性低、高溫強度不足、再結晶脆性和輻照脆化等問題，于是研究者們就把攻略重點放在了改善鉬合金的力學和抗輻照性能上。最開始的時候，研究者們在鉬金屬中引入了細小的氧化物顆粒，這樣雖然能夠顯著提高鉬合金的強度和再結晶溫度，但由于氧化物顆粒會在高溫下變大，導致鉬合金的應力集中和塑性降低，特別是在高溫試驗時，鉬合金的強度顯著降低。
于是研究者們轉換思路，提出了通過納米碳化物彌散、細晶強化和晶界凈化來協同提升鉬合金綜合性能的方法。研究者們通過通過計算模擬發現鉬合金晶/相界面上間隙氧的偏聚會顯著降低其強度和延展性，而間隙碳原子和碳化鋯顆粒能有效提高界面的強度，于是決定采用納米碳化鋯顆粒作為增強相，利用它能吸收雜質氧，降低其對晶界的脆化作用，改善晶界結合及低溫韌性，達到從晶粒的層面提高材料的強度和高溫穩定性，這樣配比的合金其納米顆粒與基體之間形成的界面還能吸收輻照缺陷，進而也就改善了鉬合金材料的抗輻照性能。
經過不斷地試驗，研究團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異力學性能的納米結構鉬—一碳化鋯合金。該納米結構合金的溫室抗拉強度達到928兆帕、延伸率為34.4%，比工業中廣泛應用的鉬鈦鋯合金(TZM合金)分別提高26%和一倍以上；在1000℃時，鉬—一碳化鋯合金的抗拉強度達到562兆帕，比純鉬、其他納米結構合金提高50%以上。在1200℃高溫下，鉬—一碳化鋯合金的強度優勢更為顯著，其抗拉強度比氧化物彌散強化鉬提高一倍以上，同時保持優良塑性。在1200℃高溫下則強度更為優異，同時還能保持優良塑性。不僅如此，該合金的再結晶溫度比純鉬提高了約400℃，具有優良的高溫穩定性。
種種數據都說明了這種合金在室溫及高溫下均具有優異的強韌性，與已報道的同類材料相比具有明顯優勢，能夠用于先進核能系統和航空航天等領域應用。
航空航天外也無處不在的“萬能”鉬合金
盡管純鉬有著許多的缺陷，但由于其元素所具有的天生優勢，只要與鈦、鋯、鉿、鎢及稀土元素等稍作“融合”，便能擁有多種多樣的形態與功能。
鉬是一種良好的形成碳化物的元素，在煉鋼的過程中不會被氧化，可單獨使用也可與其他合金元素共同使用。根據世界各國的鉬消費統計，鉬在鋼鐵工業中的應用仍占據著最主要的位置。鉬作為鋼的合金化元素，能夠提高鋼的強度，特別是高溫強度與韌性，并且還能提高鋼在酸堿溶液和液態金屬中的抗蝕性。鋼的耐磨性和改善淬透性、焊接性和耐熱性也會因為加入了鉬作為合金化元素后而得到提升。鉬與鉻、鎳、錳和硅等一起使用，還可以制造出不同類型的不銹鋼、工具鋼、高速鋼和合金鋼等。
不僅是在工業生產方面，鉬與玻璃的熱膨脹系數極其相近，具有良好的導電和高溫性能，因此廣泛應用于燈泡中螺旋燈絲的芯線、引出線、邊桿及其他部件，在電子管中做柵極和陽極支撐材料。在超大規模集成電路中，鉬用作金屬氧化物半導體柵極，把集成電路安裝在鉬上就能夠消除“雙金屬效應”。同時，Mo-Re合金可作電子管和特種燈泡的結構材料，Mo-50Re和TZM合金還可作高功率微波管和毫米波管中的熱離子陰極結構組件。
由于鉬的純度高、耐高溫性能好、蒸汽壓低等特點，使之常常被用來制造高溫爐的發熱體和結構材料。鉬在熔化的石英中有很好的抗燒蝕性能，在玻璃工業中常用作通電熔融的電極，使用壽命可達一年多。除了作電極外，鉬還能用作玻璃熔化高溫結構材料，例如導槽、管子等。另外，鉬及其合金還可以作熱等靜壓的爐架、隔熱屏、燒結和蒸涂料舟等。
(資料來源：科學日報、《觀測者網》)
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