【摘 要】
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钨（W）材料被认为是优秀的核聚变发生装置中的面向等离子体材料。但是,由于钨的脆性问题限制了其在实际工程中的应用。复合材料是有效改善钨材料韧性的方法之一。本文以轧制钨箔和再结晶退火钛（Ti）箔为初始材料,利用放电等离子体连接技术制备了钨/钛层状复合材料,研究了钨层与钛层之间的元素相互扩散行为,阐明了元素分布对材料微观组织结构以及力学性能的影响,在此基础上分析了Ti层的强化机制、复合材料的断裂行为和韧
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钨（W）材料被认为是优秀的核聚变发生装置中的面向等离子体材料。但是,由于钨的脆性问题限制了其在实际工程中的应用。复合材料是有效改善钨材料韧性的方法之一。本文以轧制钨箔和再结晶退火钛（Ti）箔为初始材料,利用放电等离子体连接技术制备了钨/钛层状复合材料,研究了钨层与钛层之间的元素相互扩散行为,阐明了元素分布对材料微观组织结构以及力学性能的影响,在此基础上分析了Ti层的强化机制、复合材料的断裂行为和韧化机制,得到的主要结论如下:（1）不同温度下制备的W/Ti层状复合材料形成的界面均平直无明显缺陷,结合情况良好;随着连接温度的升高,复合材料的抗弯强度先增大后减小,在1100℃达到最大值1847MPa;1200℃下制备的复合材料具有最大的断裂功和综合力学性能。（2）在连接过程中,W元素和Ti元素发生了互扩散,但是它们的扩散行为有较大的差异。由于Ti在高温连接时发生了同素异构转变,在Ti层中会形成较高的空位浓度,使得W向Ti中的扩散速率远远高于Ti向W中的。计算表明,W元素的扩散激活能为87.69KJ/mol,而Ti元素的扩散激活能为152.2KJ/mol,并且W元素的扩散系数比Ti元素的大两个数量级。（3）不同温度下制备的W/Ti层状复合材料中形成的微观组织不同,主要受晶粒长大和元素扩散的影响。对于W层来说,当连接温度低于1300℃时,主要形成的是拉长的纤维组织;当连接温度达到1300℃时,形成的是细小的等轴晶;当连接温度达到1400℃时,形成的是粗大的再结晶晶粒。对于Ti层来说,由于扩散到Ti层的W元素起到了稳定β-Ti相的作用,当温度低于1300℃时,Ti层中的组织分为三层,近W/Ti界面处为纯β-Ti单相区,Ti层中间区域为α-Ti和残余β-Ti的双相区;当连接温度达到1400℃时,Ti层只由纯β-Ti单相区组成。（4）Ti层各个区域的杨氏模量和显微硬度都随着W元素含量的增加而增大。Ti层中单相区的强化机制主要为固溶强化,双相区中强化机制为固溶强化和第二相强化。（5）W/Ti层状复合材料在三点弯曲过程中容易形成较长的界面裂纹,其弯曲应力-应变曲线显示了典型的“伪韧性”特征。同时,材料的断裂行为有W层中隧道裂纹的形成、Ti层的塑性变形及断裂、主裂纹的偏转、界面裂纹的扩展。（6）通过结合使用脆性开裂模型和Mises弹塑性模型,利用有限元模拟了W/Ti层状复合材料的弯曲断裂过程。结果显示,模拟得到的力-位移曲线与弯曲实验获得的曲线保持一致趋势。模型能够很好的还原W/Ti层状复合材料的室温三点弯曲变形和断裂过程,进一步证实了W/Ti层状复合材料的主要增韧机制为Ti层的塑性变形以及界面开裂。
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