钼合金——“游刃”于外太空核反应堆与工厂生产之间
- 2022年03月04日 09:09:37来源：化工仪器网作者：羊舌木点击：7270
【化工仪器网 项目成果】钼单质为银白色金属，硬而坚韧，化学性质稳定，钼合金是以钼为基体加入其他元素而构成的有色合金，其本身就是一种具有高强韧性并且耐高温的合金。纯金属及合金具有高熔点、高热导率，高导电性，易与碱金属相容等优点，早就被航天技术方面的材料学家认为是空间核反应堆的关键候选材料。
近日，中国科学院合肥物质科学研究院的固体所内耗与固体缺陷研究部同中国核动力研究设计院合作，研制出一种高性能钼合金，该种高性能钼合金或可用于制造太空核反应堆。相关研究成果日前发表在金属材料期刊《Acta材料》上。
我国研发的新型高强韧钼合金为太空核反应堆助力
钼及其合金由于高熔点、高热导率、与碱金属相容性好等优点，是空间堆关键候选材料，但纯钼存在室温塑性低、高温强度不足、再结晶脆性和辐照脆化等问题，于是研究者们就把攻略重点放在了改善钼合金的力学和抗辐照性能上。最开始的时候，研究者们在钼金属中引入了细小的氧化物颗粒，这样虽然能够显著提高钼合金的强度和再结晶温度，但由于氧化物颗粒会在高温下变大，导致钼合金的应力集中和塑性降低，特别是在高温试验时，钼合金的强度显著降低。
于是研究者们转换思路，提出了通过纳米碳化物弥散、细晶强化和晶界净化来协同提升钼合金综合性能的方法。研究者们通过通过计算模拟发现钼合金晶/相界面上间隙氧的偏聚会显著降低其强度和延展性，而间隙碳原子和碳化锆颗粒能有效提高界面的强度，于是决定采用纳米碳化锆颗粒作为增强相，利用它能吸收杂质氧，降低其对晶界的脆化作用，改善晶界结合及低温韧性，达到从晶粒的层面提高材料的强度和高温稳定性，这样配比的合金其纳米颗粒与基体之间形成的界面还能吸收辐照缺陷，进而也就改善了钼合金材料的抗辐照性能。
经过不断地试验，研究团队通过粉末冶金法和高温旋锻制备了室温及高温下均具有优异力学性能的纳米结构钼—一碳化锆合金。该纳米结构合金的温室抗拉强度达到928兆帕、延伸率为34.4%，比工业中广泛应用的钼钛锆合金(TZM合金)分别提高26%和一倍以上；在1000℃时，钼—一碳化锆合金的抗拉强度达到562兆帕，比纯钼、其他纳米结构合金提高50%以上。在1200℃高温下，钼—一碳化锆合金的强度优势更为显著，其抗拉强度比氧化物弥散强化钼提高一倍以上，同时保持优良塑性。在1200℃高温下则强度更为优异，同时还能保持优良塑性。不仅如此，该合金的再结晶温度比纯钼提高了约400℃，具有优良的高温稳定性。
种种数据都说明了这种合金在室温及高温下均具有优异的强韧性，与已报道的同类材料相比具有明显优势，能够用于先进核能系统和航空航天等领域应用。
航空航天外也无处不在的“万能”钼合金
尽管纯钼有着许多的缺陷，但由于其元素所具有的天生优势，只要与钛、锆、铪、钨及稀土元素等稍作“融合”，便能拥有多种多样的形态与功能。
钼是一种良好的形成碳化物的元素，在炼钢的过程中不会被氧化，可单独使用也可与其他合金元素共同使用。根据世界各国的钼消费统计，钼在钢铁工业中的应用仍占据着最主要的位置。钼作为钢的合金化元素，能够提高钢的强度，特别是高温强度与韧性，并且还能提高钢在酸碱溶液和液态金属中的抗蚀性。钢的耐磨性和改善淬透性、焊接性和耐热性也会因为加入了钼作为合金化元素后而得到提升。钼与铬、镍、锰和硅等一起使用，还可以制造出不同类型的不锈钢、工具钢、高速钢和合金钢等。
不仅是在工业生产方面，钼与玻璃的热膨胀系数极其相近，具有良好的导电和高温性能，因此广泛应用于灯泡中螺旋灯丝的芯线、引出线、边杆及其他部件，在电子管中做栅极和阳极支撑材料。在超大规模集成电路中，钼用作金属氧化物半导体栅极，把集成电路安装在钼上就能够消除“双金属效应”。同时，Mo-Re合金可作电子管和特种灯泡的结构材料，Mo-50Re和TZM合金还可作高功率微波管和毫米波管中的热离子阴极结构组件。
由于钼的纯度高、耐高温性能好、蒸汽压低等特点，使之常常被用来制造高温炉的发热体和结构材料。钼在熔化的石英中有很好的抗烧蚀性能，在玻璃工业中常用作通电熔融的电极，使用寿命可达一年多。除了作电极外，钼还能用作玻璃熔化高温结构材料，例如导槽、管子等。另外，钼及其合金还可以作热等静压的炉架、隔热屏、烧结和蒸涂料舟等。
(资料来源：科学日报、《观测者网》)
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