Los investigadores revelan el mecanismo del daño por fatiga por altas cargas térmicas en compuestos de tungsteno

La relación entre la evolución de la microestructura y la degradación de las propiedades de dos materiales de tungsteno fortalecidos por dispersión de segunda fase representativos después de la carga térmica del haz de electrones fue investigada recientemente por un equipo de investigación colaborativo de los Institutos de Ciencias Físicas de Hefei (HFIPS) y la Academia de Ciencias de China (CAS).

La investigación relacionada fue publicada en Revista de ciencia y tecnología de materiales.

El mejor entorno para la supervivencia humana es 25 ℃. Sin embargo, los materiales de tungsteno (W) que miran hacia el plasma en los dispositivos de fusión nuclear de confinamiento magnético están directamente expuestos al plasma a alta temperatura y, por lo general, están sujetos a cargas térmicas en estado estacionario de 5 a 20 MW/m² y choques térmicos transitorios de ~1 GW/m², que puede elevar la temperatura de la superficie del tungsteno por encima de 1800 ℃. La alta carga de flujo de calor a W conduce a algunos daños materiales irreversibles, como la rugosidad de la superficie, el agrietamiento y la fusión de la superficie. Por lo tanto, es urgente evaluar la resistencia a la carga térmica de los materiales W.

En este estudio, los investigadores llevaron a cabo cargas de calor repetitivas en un dispositivo de haz de electrones Plataforma de investigación de materiales de haz de electrones de 30 kW (EBMP-30). Esta plataforma se construyó especialmente para evaluar la resistencia al choque térmico de los materiales de revestimiento de plasma (PFM).

«Adopta un haz de electrones de soldadura de 30 kW con un voltaje de aceleración máximo de 100 kV», explicó XIE Zhuoming, quien ayudó a construir la plataforma, «puede escanear 30 × 30 mm² área con una velocidad de cuadro máxima de 35 kHz, y la duración de su pulso puede cambiar de 100 ms a un estado continuo».

Basado en el dispositivo EBMP-30, dos representantes W-0.5wt% ZrC (WZC) y W-1.0wt% Y₂O₃ (WYO) se seleccionaron compuestos para estudiar el comportamiento del daño inducido por cargas de calor repetidas en estado estacionario con densidad de potencia absorbida (APD) en el rango de 10–30 MW/m².

Los resultados muestran que las microestructuras y las propiedades de tracción de las muestras WZC y WYO no cambian significativamente cuando APD ≤ 20 MW/m². Sin embargo, cuando APD ≥ 22 MW/m²recristalización completa y crecimiento de grano en especímenes WYO e Y₂O₃ Se detectaron partículas desprendidas de la matriz W.

Además, la resistencia última a la tracción y el alargamiento total de WYO se redujeron de 861 MPa a 510 MPa y de 15 % a casi cero, respectivamente.

«Debido a los diferentes coeficientes de dilatación térmica (CTE) de la Y₂O₃ fase y W, se produce una deformación plástica irreversible de la matriz W, especialmente alrededor de la Y gruesa₂O₃ partículas», dijo Wu Xuebang, quien dirigió el equipo, «lo que conduce a la separación de la interfaz entre Y₂O₃ partículas y la matriz W».

Después de cargas térmicas a 22 MW/m²los especímenes WZC mantuvieron la alta resistencia máxima a la tracción de 816 MPa debido a su alta temperatura de recristalización (~1300 ℃).

«La distribución fina y uniforme de las partículas de ZrC y su CTE comparable a la matriz W», agregó Wu, «lo que evita efectivamente el desprendimiento de partículas de ZrC y la formación de microfisuras».

«Este estudio revela las correlaciones entre la evolución de la microestructura y la degradación del rendimiento en dos materiales representativos de tungsteno reforzado con dispersión de segunda fase, así como el mecanismo de daño por fatiga por altas cargas térmicas», dijo WU, «lo que proporciona una referencia importante para el futuro desarrollo de materiales de tungsteno de alto rendimiento».