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由于钨具有高熔点、高热导率、低溅射等优点,国际热核实验堆(International Thermonuclear Experiment Reactor,ITER)偏滤器材料已选择钨。目前欧盟决定采用钨作为未来聚变示范堆(Demonstration reactor,DEMO)的面向等离子体材料。然而,纯W的熔点高达3410℃,扩散系数极低,纯钨的烧结极其困难。因此,制备高致密、微晶粒、高性能的纯钨材料遇到极大的挑战。本文采用超细钨粉热压烧结实验与计算机模拟相结合的方法,研究了热压压力、粉末粒度、掺杂、烧结过程晶粒长大等对超细钨粉热压烧结致密化过程的影响,建立了超细钨粉热压烧结致密化模型。
本文首先介绍了烧结过程的复杂性以及计算机模拟烧结过程国内外研究现状和发展趋势;论述了微晶钨作为聚变堆面向等离子体材料所要达到的各项指标和性能以及超细钨粉热压烧结致密化过程计算机模拟的必要性和可行性。
本文介绍了各种主要烧结机制和热压致密化模型,并利用能量耗散理论和材料粘塑性理论建立了热压烧结致密化模型,详细讨论了对于以晶界扩散和表面扩散为主导扩散机制的金属粉末在微观尺度下粘性系数的具体表达式,理论研究表明粘性系数不只是与扩散系数有关,还与晶粒尺寸、相对密度等有关,而这是Frenkel关于固体粘性系数的论述中所没有考虑的。此外本文还详细介绍了钨烧结过程各种晶粒长大模型,并改进了R.M.German的经验方程式用于模拟超细钨粉热压烧结过程的晶粒长大。
本文还考虑了杂质原子与晶界的相互作用,以及由此导致的基体扩散性能和晶粒长大的影响,改进了上述推导的致密化模型。此外论述了热压压力、粉末粒度、掺杂、烧结过程晶粒长大等对超细钨粉热压烧结致密化过程的影响,建立了致密化与晶粒长大相耦合的热压烧结致密化方程。
本文最后利用所建立的致密化模型对超细钨粉热压烧结过程进行了计算机模拟。文中利用Matlab编程,模拟了纯钨和含微量添加剂(CNTs和Ni)钨合金的热压烧结致密化过程,模拟所得的致密化曲线和晶粒尺寸与实验结果对比,两者吻合的较好。