中科院成功研製高強韌鉬合金，可用於外太空核反應堆

（觀察者網訊）據中科院合肥研究院網站23日消息，中科院合肥研究院固體所內耗與固體缺陷研究部與中國核動力研究設計院合作在高性能鉬合金研究方面取得新進展，相關研究成果最終於本月17日定稿發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia上。

空間核反應堆具有環境適應性好、功率覆蓋範圍廣、結構緊湊以及大功率條件下質量功率比小等突出優點，在大功率地球軌道衞星、深空探測以及月球行星基地供電等方面具有廣闊的應用前景。空間堆中，包殼及堆芯結構材料面臨高温、中子輻照及液態鹼金屬腐蝕等苛刻服役環境，是制約空間堆技術發展的瓶頸之一。鉬（Mo）及其合金由於高熔點、高熱導率、與鹼金屬相容性好等優點，是空間堆關鍵候選材料，但純鉬存在室温塑性低、高温強度不足、再結晶脆性和輻照脆化等問題。

為了改善鉬合金的力學和抗輻照性能，科研人員在合金化和彌散強化方面開展了大量研究。然而，目前鉬合金材料在強度、塑性及高温穩定性上往往顧此失彼。例如，在鉬中引入細小的氧化物顆粒能夠顯著提高強度和再結晶温度，但氧化物顆粒在高温下容易長大，導致應力集中和塑性降低，而且在高温時的強度顯著降低。研究團隊通過計算模擬發現，晶/相界面上間隙氧的偏聚會顯著降低Mo材料的強度和延展性，而間隙C原子和ZrC顆粒可以有效提高界面的強度。基於此，研究團隊提出通過納米碳化物彌散、細晶強化和晶界淨化來協同提升鉬合金綜合性能的研究思路：採用高熔點（3540℃）、高硬度、低中子吸收的納米ZrC顆粒作為增強相，用於釘扎位錯和晶界、細化晶粒，提高材料的強度和高温穩定性；另一方面，ZrC顆粒能吸收雜質氧，降低雜質O對晶界的脆化作用，從而改善晶界結合及低温韌性。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。

基於上述研究思路，研究團隊通過粉末冶金法和高温旋鍛製備了室温及高温下均具有優異力學性能的納米結構Mo-ZrC合金。納米結構Mo-ZrC合金的室温抗拉強度達928MPa、延伸率為34.4%（圖1），比工業中廣泛應用的TZM合金分別提高26%和一倍以上；在1000℃時，Mo-ZrC合金的抗拉強度（562MPa）比純鉬、納米結構Mo-La2O3、La2O3-TZM等合金提高50%以上；在1200℃高温下，Mo-ZrC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。此外，該合金的再結晶温度比純Mo提高約400°C，具有優異的高温穩定性（圖2）。上述結果表明，納米結構Mo-ZrC合金在室温及高温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。

圖1. 納米結構Mo-ZrC合金的微結構、室温工程應力-應變曲線以及不同類型鉬材料在室温和1000℃高温下的力學性能比較。

圖2. 高温退火前後納米結構Mo-ZrC合金和純Mo的晶粒組織。

據悉，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邦。在此基礎上，研究團隊研發了高性能鉬合金棒材、板材及薄壁管（圖3），為其在先進核能系統和航空航天等領域的應用奠定良好基礎。

圖3. 研製的Mo-ZrC合金棒材、板材和薄壁管。

上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、反應堆燃料與材料重點實驗室基金和中科院合肥研究院院長基金的資助。