论文总字数：26703字

摘 要

先进氧化物弥散强化铜合金（ODS-Cu）由于具有高耐辐照性，高导热性和良好的机械性能，因此有望作为热沉积材料用于聚变反应堆偏滤器中。本课题采用机械合金化-放电等离子体烧结（MA-SPS）的方法制备氧化钇（Y₂O₃）弥散强化铜合金固体样品，研究了部分参数对制备过程的影响，并从微观角度分析氧化物增强相的形成和分布过程，所得结果对于电弧熔丝增材制造ODS-Cu材料专用焊丝的研究具有重要指导意义。

论文主要研究了原料配比和球磨时间对ODS-Cu固体样品制备过程的影响，从热力学角度阐述了Cu（Y）固溶体的形成过程，并从微观角度解释了氧化钇弥散强化铜复合材料相关性能得到改善或下降的原因。

研究结果表明，当Y含量一定时，随反应进行，Cu-Y-CuO体系倾向于生成Y原子分数相对较低的化合物，并且材料体系的Gibbs自由能会随Y含量的增加而降低。随着机械合金化球磨过程的进行，粉末颗粒的尺寸会先变大后变小，球磨时间需要足够长以保证成分之间的化学反应进行充分，如果球磨时间不足，可能会导致生成Y₂Cu₂O₅、CuYO₂等杂质相，影响材料性能。常规条件下，Y在Cu中的溶解度是极低的，通过机械合金化这种非平衡方法可以生成Cu-7.5 %Y（at %）。经过机械合金化后，晶粒细化，加入的溶质Y原子易偏聚在晶界处，容易向堆垛层错发生偏析，使得交叉滑移更难产生，有利于得到较小的晶粒尺寸和较高的位错密度。因此，氧化钇弥散强化铜材料的强度、硬度、屈服强度、延伸率等都得到了提升。另一方面，Y原子会降低固体样品的电导率和热导率，而Y₂O₃等颗粒的存在也会对材料内部晶格中的电子运动产生不利影响，尤其是当Y₂O₃等颗粒的形状不规则时，这种不利影响将会显著降低材料样品的电导率和热导率。

本文的特色在于从微观角度探讨了ODS-Cu合金的制备过程，并分析相关性能得到改变的根本原因，为聚变堆热沉积材料的制备提供了理论基础。

关键词：机械合金化；铜基合金；氧化物弥散强化；高能球磨

Abstract

Advanced oxide dispersion strengthened copper alloy (ODS-Cu) is expected to be used in the diverter system of fusion reactor in the future due to its high radiation resistance, high thermal conductivity and good mechanical properties. In this paper, yttrium oxide (Y₂O₃) dispersion strengthened copper alloy solid samples were prepared by mechanical alloying and spark plasma sintering method. The influence of parameters on the preparation process was studied, and the formation and distribution process of oxide reinforcement phase were analyzed. The results are of great guiding significance for the research on the production of ODS-Cu alloy welding wire by arc melting wire additive.

In this paper, the effects of raw material ratio and milling time on the preparation of ODS-Cu solid samples were studied. The formation process of Cu (Y) solid solution was analyzed from the thermodynamic point of view. The reasons for the improvement or reduction of the properties of yttrium oxide dispersion strengthened copper alloy composite were explained from the microscopic point of view.

The results show that when the Y content is fixed at a value, the Cu-Y-CuO system tends to produce compounds with relatively lower Y atom fraction, and the Gibbs free energy of the material system will decrease with the increase of Y content. With the process of mechanical alloying ball milling, the size of the powder particles will first becomes larger and then smaller. The ball milling time needs to be long enough to ensure the sufficient chemical reaction between the components. If the ball milling time is not enough, impurities such as Y₂Cu₂O₅ and CuYO₂ may be generated, which will affect the material performance. Under normal conditions. The solubility of Y in Cu matrix is very low, and Cu-7.5% Y (at %) can be easily achieved by the mechanical alloying. After the mechanical alloying, the grains size can be decreased, and the added solute element Y is easy to segregate at the grain boundary. The Y atoms move towards the stacking fault, making cross slip more difficult to produce, which further leads to the fine grain structure and high dislocation density, and strengthening the grain boundary and hindering the dislocation. Therefore, the strength, hardness, yield strength and elongation of yttria dispersion strengthened copper alloy have been improved. It is speculated that the existence of Y is harmful to the conductivity and thermal conductivity of solid samples, especially the existence of Y₂O₃ and other particles will also have a negative effect on the electronic movement in the internal lattice of materials. Besides, when the shape of Y₂O₃ and other particles is irregular, the conductivity and thermal conductivity will be further deteriorated.

It is needs to mention that this study is to explain the preparation process of ODS-Cu alloy from the viewpoint of microstructure evolution and thermodynamics. In addition, the essential reasons for the change of relevant properties were elucidated, which provides a scientific basis for the preparation of the thermal deposition materials for the fusion reactor.

Key Words：Mechanical alloying；Copper-based alloy；Oxide dispersion strengthening；High energy ball milling

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第1章 绪论 1

1.1 课题研究意义及内容 1

1.2 氧化钇增强铜基合金研究现状 2

1.2.1 候选结构材料及功能材料研究现状 2

1.2.2 核聚变堆实际工况 2

1.2.3 材料体系 3

1.3 铜基复合材料的制备工艺概述 3

1.3.1 粉末冶金法 3

1.3.2 液态模锻法 4

1.3.3 液相浸渍法 4

1.3.4 机械合金化 4

1.3.5 其他制备方法 5

第2章 实验方案 6

2.1 实验原料及设备 6

2.1.1 实验原料 6

2.1.2 实验设备 6

2.2 实验方案 6

2.3 实验步骤 6

2.3.1 材料体系 6

2.3.2 过程控制剂 7

2.3.3 试样处理 7

2.4试样制备 7

2.4.1 机械合金化 7

2.4.2 放电等离子烧结 8

2.5 试样测试与表征 8

2.5.1 X射线衍射仪（XRD） 9

2.5.2 扫描电子显微镜（SEM） 9

2.5.3 维氏硬度计 10

第3章 实验过程分析 11

3.1 Cu-Y合金粉末热力学分析 11

3.2 工艺参数对反应过程的影响 13

3.2.1 原料配比对反应Gibbs自由能的影响 13

3.2.2 球磨时间对机械合金化制备Cu-Y₂O₃合金过程的影响 15

3.3 Cu（Y）固溶体的形成过程分析 16

3.3.1 Cu（Y）固溶体形成过程 16

3.3.2 Y在Cu晶格中的固溶度探究 17

3.4 提高粉末强度的原理 17

3.5 机械性能、力学性能、热性能、电性能概述 18

第4章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 22

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 课题研究意义及内容

随着社会快速发展，人类对能源的需求越来越大。化石燃料是目前全球使用量最大的能源种类，但化石燃料也面临着逐渐枯竭的问题，并且化石燃料的使用也会给环境带来污染，不符合可持续发展的理念。基于此，寻找更多高效、清洁的能源已成为人们的共识。核聚变能作为人类未来可持续发展理想的清洁能源，具有燃料丰富、价格低廉、环境友好、反应释放能量大等突出优点，其发展也逐渐受到更为广泛的关注^[1]。材料问题是当前制约核聚变能发展的重要因素^[2]。除了实验装置的基本部件外，核聚变堆的组成还包含堆的包层以及屏蔽部件，其中粒子流轰击部分部件表面产生严重的溅射损伤，高能中子轰击产生体损伤，因此材料性能对包层第一壁和偏滤器是高难度甚至是颇具挑战性的工程技术问题。由于核聚变堆结构设计的复杂性，对内部部件进行维修或者更换都较为困难，为了提高核聚变堆的热效率，部件通常都需要在高温、高辐照、高冲击等严苛环境下服役，因此要求部件具有较长寿命，这使得解决核聚变堆的材料设计问题变得非常困难^[3]。因此，设计出兼具高强度和高热传导率的热沉积功能材料对于核聚变堆的发展具有重要意义。

铜合金因其极高的导热性而被认为是聚变反应堆散热器材料的候选材料^[4]。先进的氧化物弥散强化铜合金（ODS-Cu）由于具有高的耐辐照性，高的导热性和良好的机械性能，因此有望用于未来聚变反应堆的偏滤器系统中^[5]。相关实验已证明，细小的Y₂O₃氧化物颗粒在ODS钢中的分散是利用小的硬质颗粒来抑制位错的运动以达到提高强度的效果，这对于通过捕获缺陷和减少辐照膨胀来保持机械性能和良好的抗辐照性具有重要作用。到目前为止，将Y₂O₃基氧化物颗粒良好分散在不同ODS材料中的最佳方法是机械合金化（MA）^[5]。然而，关于机械合金化ODS铜合金的文献研究很少，进展十分有限。

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