變形量對(duì)純鎢熱導(dǎo)率及再結(jié)晶溫度的影響

代少偉，梁孟霞，顏彬游，蔣香草，宋久鵬,，練友運(yùn)，劉 翔

（1.廈門(mén)鎢業(yè)股份有限公司，福建 廈門(mén) 361009；2.國(guó)家鎢材料工程技術(shù)研究中心，福建 廈門(mén) 361009；3.西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039；4.核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 610041）

0 引言

熱核聚變能是解決人類社會(huì)能源問(wèn)題與環(huán)境問(wèn)題的主要途徑之一，聚變堆中的面向等離子體材料（Plasma Facing Materials，PFMs）需要承受來(lái)自聚變環(huán)境中的高熱負(fù)荷沉積、高通量等離子體及高能中子輻照等，是保護(hù)真空室內(nèi)壁免受高溫等離子體直接輻照的關(guān)鍵屏障，直接關(guān)系到聚變堆的安全運(yùn)行。鎢具有高熔點(diǎn)、高硬度、高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度、低蒸氣壓、低的氚滯留性能等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)聚變堆最有希望的PFMs[1-2]。雖然商業(yè)純鎢（W＞99.95%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）被選為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）偏濾器的PFMs，但是未來(lái)聚變堆與ITER相比，運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，偏濾器的服役環(huán)境更苛刻。在高達(dá)20 MW/m2左右的超高循環(huán)熱負(fù)荷作用下，鎢材料表層產(chǎn)生的高溫會(huì)使得其熱導(dǎo)率急劇降低[3]。 有研究表明，純鎢在27.5℃的熱導(dǎo)率約為165.13 W·m-1·K-1，但在1 000℃時(shí)其熱導(dǎo)率降低了近21%，為129.62 W·m-1·K-1，這大幅度影響部件散熱能力；且累積的大量熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鎢材料產(chǎn)生塑性變形[4]，甚至出現(xiàn)深層次的微裂紋[5]。采用熱-力有限元分析對(duì)ITER穿管模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了應(yīng)變疲勞壽命和棘輪效應(yīng)的計(jì)算，表明當(dāng)鎢發(fā)生再結(jié)晶后，塑性變形會(huì)有明顯的周期性累積效應(yīng)，壽命將大幅度降低[5]。因此，熱導(dǎo)率和再結(jié)晶溫度（Recrystallization Temperature，RCT）是鎢作為PFMs的關(guān)鍵性能指標(biāo)，開(kāi)展相關(guān)的研究對(duì)于提升材料的抗極端高熱負(fù)荷能力具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于金屬材料而言，不同的晶粒取向通常會(huì)導(dǎo)致熱導(dǎo)率的差異[6-7]，但純鎢材料晶粒的各向異性對(duì)其熱導(dǎo)率的影響并不顯著[8]。純鎢熱導(dǎo)率的差異主要緣于加工方式及變形量的不同[9]。Zhang等[10]制備了厚度30 mm的純鎢板坯，并測(cè)量了不同變形量純鎢軋板的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)其熱導(dǎo)率隨軋制變形量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，相對(duì)變形量60%的軋制純鎢板具有最高的熱導(dǎo)率和最佳的夏比沖擊性能。雖然純鎢的熱導(dǎo)率和相對(duì)密度成正比[11]，然而大變形量產(chǎn)生的大量殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力會(huì)促進(jìn)裂紋、位錯(cuò)等缺陷的形成，從而造成熱導(dǎo)率的降低[12]。

一般來(lái)說(shuō)，純鎢的RCT隨著加工變形量的增加而降低[13]，其完全再結(jié)晶溫度范圍在1 300～1 500°C[14]。而單純燒結(jié)態(tài)的純鎢棒或小變形量鍛造態(tài)純鎢由于密度不高、強(qiáng)度低、熱導(dǎo)性能差等缺點(diǎn)，幾乎不能直接加工使用[15-16]。為了獲得合適變形量的純鎢棒，且達(dá)到偏濾器模塊所用鎢塊的尺寸要求，需要獲得大尺寸的純鎢燒結(jié)坯；然而大尺寸純鎢燒結(jié)坯各個(gè)部分在成形、燒結(jié)過(guò)程中所經(jīng)歷的熱歷史均有較大差異，常造成密度不均勻、晶粒非均勻長(zhǎng)大、內(nèi)應(yīng)力等[17]，在鍛造加工時(shí)易產(chǎn)生脆性斷裂。因此，制備出高致密度、均勻細(xì)晶的大尺寸純鎢燒結(jié)坯，是獲得合適變形量純鎢棒的前提。

因此，針對(duì)未來(lái)聚變堆偏濾器對(duì)大尺寸純鎢材料的需求，本研究采用粉末冶金及高溫鍛造工藝制備了不同變形量的純鎢棒材，并分析了變形量對(duì)鍛造態(tài)純鎢棒的微觀組織、熱導(dǎo)率及RCT的影響。

1 試驗(yàn)

以自制的純鎢粉末（純度≥99.98%，費(fèi)氏粒度3.0 μm）為原料，通過(guò)冷等靜壓成形及中頻感應(yīng)燒結(jié)，得到尺寸約直徑70 mm×600 mm的純鎢棒坯。在1 500～1 650℃的高溫下，鍛造出3種規(guī)格的鎢棒， 其對(duì)數(shù)應(yīng)變（ε）分別為0.88、1.57和2.95。

采用密度分析天平（XS105，METTLER TOLEDO，精度0.000 1 g）參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3850—2015測(cè)試純鎢棒的排水法密度，同時(shí)利用測(cè)得的密度和理論密度（19.3 g/cm3）計(jì)算相對(duì)密度；采用維氏硬度計(jì)（HV-112，Mitutoyo）測(cè)量純鎢棒軸向截面的維氏硬度HV10；分別采用氧氮分析儀（EMGA-820，HORIBA）和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES，ULTIMA 2）測(cè)試O、C、K、Al和Si等雜質(zhì)元素含量；晶粒組織采用倒置金相顯微鏡（MC170 HD，Leica）進(jìn)行觀察，并采用Nano Measurer軟件和截線法測(cè)量平均晶粒尺寸和晶粒長(zhǎng)徑比，各選取3張1 000倍的金相照片，每張金相照片至少測(cè)量50個(gè)晶粒；通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM，S-4800，Hitachi）觀察純鎢棒的斷口微觀形貌；采用激光導(dǎo)熱儀（LFA457，Netzsch）測(cè)量熱導(dǎo)率，樣品尺寸為10 mm×10 mm×2.5 mm，測(cè)試溫度為室溫至1 000℃，測(cè)試面為軸向截面，表面經(jīng)過(guò)1200#的砂紙磨拋，升溫速率10℃/min，標(biāo)樣為純鎢，修正模型為Cowan模型+脈沖修正。將純鎢棒在不同退火溫度下保溫1 h（H2氣氛），獲得退火后鎢材料的維氏硬度隨退火溫度變化的曲線。參照RCT的定義，即經(jīng)過(guò)嚴(yán)重冷變形的金屬保溫1 h再結(jié)晶完成95%所對(duì)應(yīng)的溫度[18]，RCT為硬度值比完全再結(jié)晶狀態(tài)的硬度值高5%所對(duì)應(yīng)的退火溫度，其中完全再結(jié)晶狀態(tài)由硬度沒(méi)有進(jìn)一步下降的溫度范圍確定[19]。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)坯的化學(xué)成分與微觀組織

圖1為純鎢燒結(jié)棒坯的微觀組織。在經(jīng)過(guò)中頻高溫?zé)Y(jié)后，鎢棒坯的純度超過(guò)99.98%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），O、C、K、Al和Si等雜質(zhì)元素含量均低于5×10-4%。該純鎢燒結(jié)坯的相對(duì)密度約為94.4%，維氏硬度約為312.7HV10，平均晶粒尺寸約為23.5μm。

圖1 純鎢燒結(jié)棒坯的微觀組織Fig.1 Microstructure of pure tungsten sintered bar billet

2.2 鍛造棒材的密度、硬度及晶粒尺寸

圖2（a）為不同對(duì)數(shù)應(yīng)變鎢棒的相對(duì)密度和維氏硬度。從圖2（a）中看出，隨著對(duì)數(shù)應(yīng)變的增加，鍛造鎢棒的相對(duì)密度和維氏硬度都呈現(xiàn)出先快速上升的趨勢(shì)，對(duì)數(shù)應(yīng)變?yōu)?.88的相對(duì)密度已達(dá)到99.3%。這是由于在高溫鍛造加工過(guò)程中，純鎢燒結(jié)坯中孔隙受到擠壓[20]，孔隙率逐漸減小，密度逐漸增加[21]，隨著對(duì)數(shù)應(yīng)變繼續(xù)增大，純鎢棒材趨于完全致密化。對(duì)數(shù)應(yīng)變0.88的純鎢棒其維氏硬度已達(dá)到414.6 HV10，而隨著對(duì)數(shù)應(yīng)變的繼續(xù)增加其變化緩慢，這可能是由于此時(shí)純鎢內(nèi)部晶粒的形變儲(chǔ)能已開(kāi)始飽和[22]；且由于鍛造溫度較高及變形量過(guò)大，變形過(guò)程中可能發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)或動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[23]，導(dǎo)致了材料軟化，使得維氏硬度增加變緩。圖2（b）為不同對(duì)數(shù)應(yīng)變鎢棒的平均晶粒尺寸和晶粒長(zhǎng)徑比。從圖2（b）中看到，隨著對(duì)數(shù)應(yīng)變的增大，純鎢棒的晶粒逐漸細(xì)化，平均晶粒尺寸由23.5μm減小到5.3 μm；且晶粒沿著軸向方向逐漸伸長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)徑比由1.3增大到4.9。

圖2 不同對(duì)數(shù)應(yīng)變鎢棒的相對(duì)密度、硬度和晶粒尺寸變化Fig.2 Evolutions of relative density,hardness and grain size of pure W rods with various logarithmic strain

圖3和圖4為不同對(duì)數(shù)應(yīng)變鎢棒的軸向斷口微觀形貌及徑向截面、軸向截面的微觀組織。從圖3和圖4中發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)態(tài)（對(duì)數(shù)應(yīng)變?yōu)?）純鎢棒呈現(xiàn)出等軸狀的晶粒組織，隨著對(duì)數(shù)應(yīng)變的增大，鎢晶粒沿著變形方向即棒材軸向方向逐漸伸長(zhǎng)；當(dāng)對(duì)數(shù)應(yīng)變?yōu)?.88時(shí)，燒結(jié)坯的大尺寸孔隙已基本消失，部分鎢晶粒變形且沿著軸向伸長(zhǎng)，但還有部分晶粒仍然呈現(xiàn)等軸狀的形態(tài)；隨著變形量繼續(xù)增大，更多的鎢晶粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)且具有相近取向的特征也更加顯著[24]，對(duì)數(shù)應(yīng)變?yōu)?.57的純鎢棒其晶粒沿著軸向方向伸長(zhǎng)更加明顯，平均晶粒尺寸減小，晶粒長(zhǎng)徑比逐步增大；當(dāng)對(duì)數(shù)應(yīng)變達(dá)到2.95時(shí)，具有相近取向的鎢晶粒構(gòu)成了纖維狀的晶粒組織區(qū)域，且基本全部呈現(xiàn)出纖維狀的形態(tài)。

圖3 不同對(duì)數(shù)應(yīng)變鎢棒的軸向斷口微觀形貌Fig.3 Axial fracture morphology of pure W rods with various logarithmic strains

圖4 不同對(duì)數(shù)應(yīng)變鎢棒的微觀組織Fig.4 Microstructure of pure W rods with various logarithmic strains

2.3 變形量對(duì)熱導(dǎo)率的影響

圖5為不同對(duì)數(shù)應(yīng)變鎢棒的熱物理性能。在圖5（a）和圖5（b）中，純鎢棒的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)都均隨著溫度的升高而逐漸降低，表現(xiàn)出對(duì)溫度的強(qiáng)依賴性，但熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)隨著對(duì)數(shù)應(yīng)變的增大反而略微增大。熱導(dǎo)率是熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱和密度的乘積[25]，對(duì)數(shù)應(yīng)變的增加導(dǎo)致純鎢棒的孔隙率降低，密度有些許提升；另外鎢晶粒之間的接觸率提高，熱擴(kuò)散系數(shù)也有一定的提升。在圖5（c）中，比熱隨著溫度的升高而增加，這是由于金屬的比熱僅與金屬離子的振動(dòng)有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，金屬離子的振動(dòng)加劇，因吸收能量而導(dǎo)致金屬比熱增加。因此，純鎢棒的熱導(dǎo)率隨對(duì)數(shù)應(yīng)變的增加而提高。此外，在圖5（c）中發(fā)現(xiàn)，對(duì)數(shù)應(yīng)變1.57的純鎢棒的比熱稍高于對(duì)數(shù)應(yīng)變?yōu)?.95的純鎢棒，這可能是由于本試驗(yàn)的比熱是通過(guò)激光閃射法（Laser Flash Apparatu，LFA）測(cè)試的，與差示掃描量熱分析法（Differential Scanning Calorimeter，DSC）相比其準(zhǔn)確性和重復(fù)性相對(duì)較低[26]；另外，由于純鎢的比熱在室溫下僅有約0.133 J/(g·K)，當(dāng)溫度由室溫升高至1 000℃，其比熱的增加量還不到0.03 J/(g·K)，這對(duì)樣品的制備及設(shè)備的測(cè)試精度要求都非常高。同時(shí)，高溫下的熱輻射對(duì)測(cè)試也有一定影響。

圖5 不同對(duì)數(shù)應(yīng)變鎢棒的熱物理性能Fig.5 Thermal properties of pure W rods with different logarithmic strains

2.4 變形量對(duì)RCT的影響

在工程上通常將RCT定義為經(jīng)過(guò)大變形量（＞70%）的冷變形金屬，在1 h保溫時(shí)間內(nèi)能完成再結(jié)晶（＞95%轉(zhuǎn)變量）的最低溫度。參考這一概念，鎢的RCT被定義為硬度比完全再結(jié)晶狀態(tài)高5%所對(duì)應(yīng)的退火溫度[19]。圖6為不同對(duì)數(shù)應(yīng)變鎢棒的維氏硬度隨退火溫度的變化。對(duì)數(shù)應(yīng)變分別為0.88、1.57、2.95的純鎢棒，其退火后的硬度沒(méi)有進(jìn)一步下降的溫度點(diǎn)分別為1 650℃、1 550℃、1 450℃，那么這三個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)硬度值的105%，即為再結(jié)晶完成95%的硬度值，該硬度值在曲線上對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)即為RCT。因此，在圖6中，對(duì)數(shù)應(yīng)變?yōu)?.88、1.57、2.95的純鎢棒，其RCT分別為1 450℃、1 520℃、1 410℃。一般來(lái)說(shuō)，常規(guī)純鎢的RCT隨著加工變形量的增加而降低[13]，這是由于純鎢的再結(jié)晶過(guò)程主要是通過(guò)晶界擴(kuò)散進(jìn)行的[27-28]。其中，對(duì)數(shù)應(yīng)變0.88純鎢棒的RCT卻低于對(duì)數(shù)應(yīng)變1.57的純鎢棒，這可能是由于其變形量較低，只有58.7%，達(dá)不到大塑性變形的條件（變形量70%以上），且由于孔隙的存在和致密度稍低，使其硬度大大降低。綜合考慮顯微組織、力學(xué)性能及成品率等因素，有研究報(bào)道也建議鍛造鎢棒變形量應(yīng)達(dá)到 60%以上[20]。

圖6 不同對(duì)數(shù)應(yīng)變鎢棒的維氏硬度隨退火溫度的變化Fig.6 Vickers hardness of pure W rods with various logarithmic strains as a function of annealing temperature

圖7為不同退火溫度下純鎢棒的微觀組織變化。一般認(rèn)為，經(jīng)大塑性變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度時(shí)，組織中會(huì)形成新的無(wú)畸變的小晶粒，這些小晶粒不斷長(zhǎng)大，同時(shí)也有新的小晶粒繼續(xù)形成，原先發(fā)生變形的晶粒組織逐漸消失，直到新的無(wú)畸變的晶粒全部取代原先變形過(guò)的晶粒。在圖7中觀察到，經(jīng)過(guò)1 350℃保溫1 h后，3種對(duì)數(shù)應(yīng)變的純鎢棒其晶粒組織沒(méi)有明顯變化，還保持著原始態(tài)的沿軸向取向的細(xì)晶纖維狀，還處于回復(fù)階段。然而，經(jīng)過(guò)1 450℃保溫1 h后，對(duì)數(shù)應(yīng)變0.88由于變形量較小，晶粒組織發(fā)生再結(jié)晶的過(guò)程相對(duì)較慢，雖然沒(méi)有出現(xiàn)粗大的晶粒，但整體晶粒組織已經(jīng)明顯變大；對(duì)數(shù)應(yīng)變1.57的晶粒組織雖然出現(xiàn)了個(gè)別粗晶，但基本保持原始態(tài)的細(xì)晶纖維狀；而對(duì)數(shù)應(yīng)變2.95的晶粒組織已經(jīng)明顯粗化，再結(jié)晶形核速度明顯加快，小晶粒迅速長(zhǎng)大為大晶粒，甚至出現(xiàn)了等軸晶。這是由于純鎢加工變形量越大，位錯(cuò)纏結(jié)越嚴(yán)重，形變儲(chǔ)能越高，再結(jié)晶越容易形核，即再結(jié)晶速度加快[29]。電子背散射衍射結(jié)果表明，純鎢的再結(jié)晶退火過(guò)程是大量的小角度晶界向大角度晶界轉(zhuǎn)變的過(guò)程[28]。由于再結(jié)晶過(guò)程是不可逆的[30]，新生成的晶粒替代了原來(lái)發(fā)生過(guò)塑性變形的晶粒，所以純鎢發(fā)生再結(jié)晶后，由塑性變形所產(chǎn)生的性能變化就基本消失，各種性能也會(huì)基本恢復(fù)到變形前的狀態(tài)。

圖7 不同退火溫度下純鎢棒的微觀組織Fig.7 Microstructures of pure W rods after annealing at various temperatures

在圖7中對(duì)數(shù)應(yīng)變2.95的純鎢棒其再結(jié)晶后的晶粒組織明顯比對(duì)數(shù)應(yīng)變?yōu)?.88和1.57的純鎢棒要更加細(xì)小，這是由于具有較高儲(chǔ)存能的變形晶粒組織在再結(jié)晶過(guò)程中的形核位點(diǎn)更多、分布更加均勻，因此最先發(fā)生再結(jié)晶，從而導(dǎo)致以較高的形核概率長(zhǎng)出細(xì)小晶粒，使得再結(jié)晶后得到的晶粒組織相對(duì)均勻細(xì)小。一般情況晶粒越細(xì)，硬度越高。這在圖6中得到驗(yàn)證，在完全再結(jié)晶后，對(duì)數(shù)應(yīng)變?yōu)?.95的純鎢棒維氏硬度值高于對(duì)數(shù)應(yīng)變?yōu)?.58和0.88的純鎢棒。因此，變形量的增加有助于提升純鎢棒再結(jié)晶后的硬度。

3 結(jié)論

（1）隨著對(duì)數(shù)應(yīng)變的增大，純鎢棒的相對(duì)密度和維氏硬度都呈現(xiàn)出先快速上升后趨于平緩的趨勢(shì)，晶粒長(zhǎng)徑比逐漸增大且晶粒組織逐漸細(xì)化，最終呈現(xiàn)出纖維狀的形態(tài)。

（2）純鎢棒的熱導(dǎo)率及熱擴(kuò)散系數(shù)都隨對(duì)數(shù)應(yīng)變的增大有一定的提升，而當(dāng)純鎢棒趨于完全致密化后，由于內(nèi)部孔隙率極低，其熱導(dǎo)率的差異較小。

（3）純鎢棒材需要經(jīng)過(guò)一定變形量的熱塑性加工后才能獲得致密的組織、較高的熱導(dǎo)率和RCT。隨著變形量的繼續(xù)增加，雖然再結(jié)晶后獲得的晶粒組織更加細(xì)小均勻，但RCT將顯著下降。