Novel low-activation tungsten (W) alloy-based composites are investigated here. A W0.5TaTiVCr matrix (M) was selected due to its promising strength (more than two times that of pure W) and low activation properties. W short fibers (Wsf) or W particles (Wp) were embedded in W0.5TaTiVCr in an effort to improve the fracture strain. Unlike W-fiber-reinforced-W-matrix-composites, near-isotropic composites with nearly full densities were developed via the simple fabrication method (as compared to hot isostatic pressing and chemical vapor infiltration) of elemental powder mixing followed by spark plasma sintering (SPS) at 1600 °C. Microstructural characterization reveals randomly dispersed and well-bonded W reinforcements with the matrix, which shows the body-centered cubic (BCC) crystal structure and multiple phases. The fracture strain of W0.5TaTiVCr under compressive stress shows a two-fold improvement from ~4.3% to ~9.3% due to the addition of 10 wt.%Wp while maintaining a high yield strength of ~1900 MPa. An addition of 50 wt.%Wp results in ~16% fracture strain. The addition of 10 wt.%Wsf results in four times higher fracture toughness (from ~7.7 to ~29.6 MPa · m1/2). The mechanisms determining the improvement in the fracture strain and toughness due to the addition of the Wsf and Wp are discussed based on the fracture surface analysis.
本論文では、新規の低放射化タングステン（W）合金基複合材料について検討した。W0.5TaTiVCrマトリックス（M）は、その有望な強度（純Wの2倍以上）と低放射化特性から選定された。破壊ひずみの向上を目的として、W短繊維（Wsf）またはW粒子（Wp）をW0.5TaTiVCr中に埋入した。W繊維強化Wマトリックス複合材料とは異なり、ほぼ完全密度を有する等方性複合材料が、元素粉末混合とそれに続く1600°Cでの放電プラズマ焼結（SPS）という簡便な作製法（ホットアイソスタティックプレスや化学蒸気含浸と比較して）により作製された。微細組織観察により、W強化材がマトリックス中にランダムに分散し、良好に結合していることが明らかとなった。マトリックスは体心立方（BCC）結晶構造と複数の相を示した。W0.5TaTiVCrの圧縮下における破壊ひずみは、10 wt.%Wpの添加により約4.3%から約9.3%へと2倍に向上し、約1900 MPaの高い降伏強度を維持した。50 wt.%Wpの添加では、約16%の破壊ひずみが得られた。10 wt.%Wsfの添加では、破壊靭性が約7.7から約29.6 MPa・m1/2へと4倍に向上した。WsfおよびWpの添加による破壊ひずみと靭性の向上メカニズムについて、破面解析に基づいて考察した。