Microstructure and mechanical properties of tungsten composite reinforced by fibre network

Abstract

In this paper the tungsten-fibre-net-reinforced tungsten composites were produced by spark plasma sintering (SPS) using fine W powders and commercial tungsten fibres. The relative density of the samples is above 95%. It was found that the recrystallization area in the fibres became bigger with increasing sintering temperature and pressure. The tungsten grains of fibres kept stable when sintered at 1350°C/16 kN while grown up when sintered at 1800°C/16 kN. The composite sintered at 1350°C/16 kN have a Vickers-hardness of ~610 HV, about 2 times that of the 1800°C/16 kN sintered one. Tensile tests imply that the temperature at which the composites (1350°C/16 kN) begin to exhibit plastic deformation is about 200°C–250°C, which is 400°C lower than that of SPSed pure W. The tensile fracture surfaces show that the increasing fracture ductility comes from pull-out, interface debonding and fracture of fibres.

Keywords

tungsten-fibre-net / spark plasma sintering / recrystallization / tensile test

References

[1] Liu L, Liu D P, Hong Y, . High-flux He⁺ irradiation effects on surface damages of tungsten under ITER relevant conditions. Journal of Nuclear Materials, 2016, 471: 1–7

[2] Li X W, Zhang M N, Zheng D H, . The oxidation behavior of the WC–10 wt.% Ni₃Al composite fabricated by spark plasma sintering. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 629: 148–154

[3] Dai S Y, Wang L, Kirschner A, . Kinetic modelling of material erosion and impurity transport in edge localized modes in EAST. Nuclear Fusion, 2015, 55(4): 043003 (8 pages) 

[4] Palacios T, Monge M A, Pastor J Y. Tungsten–vanadium–yttria alloys for fusion power reactors (I): Microstructural characterization. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2016, 54: 433–438

[5] Ekbom L B. Tungsten heavy-metals. Scandinavian Journal of Metallurgy, 1991, 20(3): 190–197

[6] Giannattasio A, Yao Z, Tarleton E, . Brittle-ductile transitions in polycrystalline tungsten. Philosophical Magazine, 2010, 90(30): 3947–3959

[7] Miao S, Xie Z M, Yang X D, . Effect of hot rolling and annealing on the mechanical properties and thermal conductivity of W–0.5 wt.% TaC alloys. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2016, 56: 8–17

[8] Xie Z M, Zhang T, Liu R, . Grain growth behavior and mechanical properties of zirconium microalloyed and nano-size zirconium carbide dispersion strengthened tungsten alloys. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2015, 51: 180–187

[9] Liu S L, Ye X X, Jiang L, . Effect of tungsten content on the microstructure and tensile properties of Ni–xW–6Cr alloys. Materials Science and Engineering A: Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2016, 655: 269–276

[10] Wang S, Chen C, Jia Y L, . Effects of grain size on the microstructure and texture of cold-rolled Ta–2.5W alloy. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2016, 58: 125–136

[11] Sinclair R, Preuss M, Maire E, . The effect of fibre fractures in the bridging zone of fatigue cracked Ti–6Al–4V/SiC fibre composites. Acta Materialia, 2004, 52(6): 1423–1438

[12] Kimmig S, Allen I, You J H. Strength and conductivity of unidirectional copper composites reinforced by continuous SiC fibers. Journal of Nuclear Materials, 2013, 440(1–3): 272–277

[13] Conner R D, Dandliker R B, Johnson W L. Mechanical properties of tungsten and steel fiber reinforced Zr_41.25Ti_13.75Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5 metallic glass matrix composites. Acta Materialia, 1998, 46(17): 6089–6102

[14]  Carvalho P A, Livramento V, Nunes D, . Tungsten–tantalum composites for plasma facing applications. Materials for Energy, 2010, 4–8

[15] Pemberton S R, Oberg E K, Dean J, . The fracture energy of metal fibre reinforced ceramic composites (MFCs). Composites Science and Technology, 2011, 71(3): 266–275

[16] Son C Y, Kim G S, Lee S B, . Dynamic compressive properties of Zr-based amorphous matrix composites reinforced with tungsten continuous fibers or porous foams. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2012, 43(6): 1911–1920

[17] Zhang B, Fu H M, Sha P F, . Anisotropic compressive deformation behaviors of tungsten fiber reinforced Zr-based metallic glass composites. Materials Science and Engineering A: Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2013, 566: 16–21

[18] Riesch J, Buffiere J Y, Hoschen T, . In situ synchrotron tomography estimation of toughening effect by semi-ductile fibre reinforcement in a tungsten-fibre-reinforced tungsten composite system. Acta Materialia, 2013, 61(19): 7060–7071

[19] Riesch J, Aumann M, Coenen J W, . Chemically deposited tungsten fibre-reinforced tungsten − The way to a mock-up for divertor applications. Nuclear Materials and Energy, 2016, 9: 75–83

[20] Zhang L H, Jiang Y, Fang Q F, . Toughness and microstructure of tungsten fibre net-reinforced tungsten composite produced by spark plasma sintering. Materials Science and Engineering A: Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2016, 659: 29–36

[21] Du J, Höschen T, Rasinski M, . Interfacial fracture behavior of tungsten wire/tungsten matrix composites with copper-coated interfaces. Materials Science and Engineering A: Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2010, 527(6): 1623–1629

[22] Du J, Höschen T, Rasinski M, . Feasibility study of a tungsten wire-reinforced tungsten matrix composite with ZrO_x interfacial coatings. Composites Science and Technology, 2010, 70(10): 1482–1489

[23] Du J, Höschen T, Rasinski M, . Shear debonding behavior of a carbon-coated interface in a tungsten fiber-reinforced tungsten matrix composite. Journal of Nuclear Materials, 2011, 417(1–3): 472–476

[24] Xie Z M, Liu R, Fang Q F, . Spark plasma sintering and mechanical properties of zirconium micro-alloyed tungsten. Journal of Nuclear Materials, 2014, 444(1–3): 175–180

[25] Asrar N, Meshkov L L, Sokolovskaya E M. Interdiffusional effects in tungsten fiber reinforced nickel-matrix composites. Transactions of the Indian Institute of Metals, 1990, 43(6): 364–367

[26] Lee M H, Das J, Sordelet D J, . Effect of tungsten metal particle sizes on the solubility of molten alloy melt: Experimental observation of Gibbs-Thomson effect in nanocomposites. Applied Physics Letters, 2012, 101(12): 124103

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg