벌크 W로 설계된 인터페이스의 탁월한 높은 연성/강도

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 16014(2015) 이 기사 인용

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높은 연성/강도/가소성을 지닌 내화 텅스텐 합금은 광범위한 중요 응용 분야에 매우 바람직합니다. 여기에서는 8.5mm 두께의 W-0.5wt를 달성하는 인터페이스 디자인 전략을 보고합니다. %ZrC 합금 플레이트는 굴곡 강도가 2.5GPa이고 변형률이 실온(RT) 및 약 100°C의 연성-취성 전이 온도에서 3%입니다. 인장 강도는 실온에서 약 991MPa, 500°C에서 582MPa이며, 총 연신율은 각각 실온에서 약 1.1%, 500°C에서 41%에 이릅니다. 또한 W-ZrC 합금판은 균열 없이 3.3MJ/m2의 열부하를 견딜 수 있습니다. 이 처리 경로는 결정립/상 경계(GB/PB)의 특별한 일관성 있는 인터페이스와 GB에서 감소하는 O 불순물을 제공하여 GB/PB를 크게 강화하여 W 합금의 연성/강도/가소성을 향상시킵니다. 설계 사상은 미래에 더 높은 연성/강도를 지닌 새로운 합금을 준비하는 데 사용될 수 있습니다.

텅스텐(W)은 상온부터 3410°C의 높은 녹는점까지 체심 입방 결정 구조를 유지하는 내화성 금속의 일종입니다. W는 액체 금속과의 우수한 상용성, 높은 열전도율(174W/(m·k)), 낮은 스퍼터링 수율, 높은 안정성 및 높은 경도/강도를 제공하며, 이 모든 것이 함께 구성 요소 수명을 연장할 수 있으므로 많은 중요한 고급 제품에 매력적입니다. 미래 핵융합로의 플라즈마 직면 물질(PFM), 파쇄 중성자 소스의 고체 표적, 로켓 및 미사일의 중요 구성 요소와 같은 온도 응용 분야에 사용됩니다1,2. 그러나 W 기반 재료의 활용은 W가 와이어 또는 시트 형태로 사용되는 필라멘트, 전극 및 히터로 여전히 제한됩니다. W 제품의 내파괴성은 무거운 플라스틱을 통해 달성할 수 있는 최적의 변형 구조를 갖춘 이러한 형상에서 주로 사용 가능하기 때문입니다. 작업 프로세스. W 기반 벌크(두꺼운) 재료는 W가 여러 영역에서 심각한 취성, 즉 저온 취성(상대적으로 높은 연성-취성 전이 온도)을 나타내기 때문에 특히 고온 및 방사선 환경에서 기능성 및 구조적 재료에 성공적으로 적용되지 않았습니다. (DBTT) > 400°C), 재결정 취성(재결정 온도 ~1200°C) 및 방사선 취성3,4,5. 따라서 텅스텐의 높은 DBTT와 낮은 재결정 온도는 낮은 인성을 동반한 재결정화는 매우 높은 온도에서의 적용을 허용하지 않는 반면, 저온에서는 기존 균열(생산 또는 균열로 인한 기존 균열)이 발생하기 때문에 중간 온도 영역에서의 적용을 제한합니다. 구성 요소 작동 중에 개발된 요소가 증가할 수 있습니다. 특히, 원자력 분야에서는 저온 취성 및 방사선 유발 취성이 주요 관심사입니다6,7.

최근 수십 년 동안 W 합금의 저온 연성을 개선하기 위해 많은 노력이 기울여졌습니다8,9,10. 연성 및 파괴 인성을 증가시키고 DBTT를 감소시키기 위해 여러 접근법이 사용됩니다. 첫 번째는 예를 들어 용질 원소로 레늄(Re)을 첨가하여 고용체를 준비하는 것입니다10. 그러나 이러한 접근 방식은 W 합금을 연화시키고 값비싼 Re로 인해 비용이 많이 듭니다. 또한, 융합 응용의 경우 낮은 활성화 요구 사항을 충족하고 W의 Re7,11로의 상당한 변환으로 인해 취성 상이 형성되는 것을 방지하기 위해 Re 첨가를 제한해야 합니다. 두 번째 접근 방식은 ODS(산화물 분산 강화) 또는 탄화물 나노입자 추가를 사용하여 나노구조 W 합금을 개발하는 것입니다. WY 재료12의 경우, 모든 Y 원소는 밀링된 분말의 높은 양의 O로 인해 기계적 합금화 중에 Y2O3로 변환됩니다. 이는 재료의 취성을 초래하는 과도한 O 함량을 줄이는 데 도움이 되며, 이는 높은 강도와 ​​유망한 방사선 저항성을 나타냅니다. 그러나 DBTT가 여전히 400°C 이상인 경우 낮은 연성과 열악한 RT 파괴 특성을 나타냅니다. 최근에는 성능이 뛰어난 새로운 유형의 W 또는 W 합금이 개발되었습니다. 예를 들어, 초소성 변형에 의해 제작된 초미세 입자를 갖는 작은 크기의 W-1.1%TiC는 약 4.4GPa까지 매우 높은 파괴 강도와 RT14에서 상당한 굽힘 연성을 나타내며 여러 층의 W로 구성된 0.1mm 두께의 W 적층판을 나타냅니다. 포일은 RT8에서 연성을 나타냅니다. 그러나 위의 W 또는 W 합금의 크기뿐만 아니라 제조 효율성, 경제성이 열악하여 PFM 또는 전환기로 사용하기에는 매우 제한적입니다15.