引言

磁聚變反應(yīng)堆中的關(guān)鍵部件，比如偏濾器或等離子體材料，都需要滿足一些性能要求，包括低活化、高熔點、良好的機械性能、低濺射腐蝕和低氚保留/ 共沉積。這些部件必須在高溫下長時間運行，在暴露于大等離子體熱量和高能中性氫同位素（D 和 T）的情況下，不會發(fā)生故障或大面積侵蝕。鎢是等離子體材料的好的選擇，因為它具有較高的熔融溫度、較低的腐蝕速率和較低的氚保留。然而，鎢本身具有非常低的斷裂韌性，這嚴(yán)重限制了部件的有效操作溫度，并同時產(chǎn)生了一系列制造上的困難。目前已經(jīng)觀察到的結(jié)果是，D 和 He在中等溫度下（<800K）會起泡，He 在高溫下（>1600K）會形成凹坑、空穴和起泡。這些現(xiàn)象的形成機理尚不清楚，但科學(xué)家猜測其很大歸因于材料缺陷中D 和 He 的積累。在稍微低一點的溫度下（1250-1600K），將鎢暴露在 He 等離子體中可以觀察到納米級起泡的產(chǎn)生。而在接近國際熱核實驗反應(yīng)堆的工作條件下，可以發(fā)現(xiàn)材料表面具有納米結(jié)構(gòu)的形貌。這些納米結(jié)構(gòu)表面所增加的表面積和脆性引起了鎢用作聚變反應(yīng)堆等離子體材料的關(guān)注。

成果簡介

近日，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(fā)了一種具有優(yōu)異耐輻射性能的體心立方鎢基耐火高熵合金。該合金生長為薄膜，在納米晶和超細(xì)體系中顯示出雙峰晶粒尺寸分布，并通過原子探針斷層掃描（APT）顯示出獨特的 4nm 薄片結(jié)構(gòu)。透射電子顯微鏡（TEM）和 X 射線衍射顯示材料在高溫?zé)嵬嘶鸷蟪霈F(xiàn)某些黑點。TEM 和 APT 分析認(rèn)為黑點的產(chǎn)生于富含 Cr 和 V 的第二相顆粒有關(guān)。此外，納米力學(xué)測試結(jié)果顯示沉積樣品的硬度為 14GPa，輻射硬化幾乎可以忽略不計。結(jié)合 ab initio 和 Monte Carlo 模擬預(yù)測了富含 V 的第二相粒子的形成以及點缺陷的相等摩爾點作為輻射耐受性的起點。該成果以題為“Outstanding RadiationResistance of Tungsten-Based High-EntropyAlloys”發(fā)表在 Sci. Adv. 上。

圖文導(dǎo)讀

圖1：合金組份表征

（a）。HEA 膜的 TEM 表征（b）。HEA 膜的元素分析（c）。HEA 膜的橫截面 SEM 表征

圖 2.HEA的APT分析

（a-d）。Cr,V,Ta 和 W 的 3D 分布（e-h）。 元素二維組份分析（i-l）。 三種不同 GBs 的俯視圖

圖3：TEM表征

圖4：材料輻射后的TEM表征

（a）。 使用 <111> 區(qū)域成像顯示小黑點（b）。 雙光束成像顯示沒有黑點

圖5：HEA輻射后的APT分析

（a-d）。Cr,V,Ta和W的三維分布（e-h）。 Cr,V,Ta和W的二維組份分析（i-l）。三種不同GBs的俯視圖

圖6：原子構(gòu)型的理論預(yù)測

（a）。W 38 Ta 36 Cr 15 V 11 的 SRO 參數(shù)隨溫度的變化（b）。W 38 Ta 36 Cr 15 V 11 的原子構(gòu)型模擬（c）。 元素的平均濃度分布

小結(jié)

在這個工作中，作者開發(fā)了一種具有優(yōu)異耐輻射性能的體心立方鎢基耐火高熵合金。該合金生長為薄膜，在納米晶和超細(xì)體系中顯示出雙峰晶粒尺寸分布，并通過原子探針斷層掃描（APT）顯示出獨特的 4nm 薄片結(jié)構(gòu)。透射電子顯微鏡（TEM）和 X 射線衍射顯示材料在高溫?zé)嵬嘶鸷蟪霈F(xiàn)某些黑點。TEM 和APT 分析認(rèn)為黑點的產(chǎn)生于富含 Cr 和 V的第二相顆粒有關(guān)。此外，納米力學(xué)測試結(jié)果顯示沉積樣品的硬度為 14GPa，輻射硬化幾乎可以忽略不計。結(jié)合 abinitio 和 Monte Carlo 模擬預(yù)測了富含 V的第二相粒子的形成以及點缺陷的相等摩爾點作為輻射耐受性的起點。

原文鏈接：Outstanding Radiation Resistance of Tungsten-Based High-Entropy Alloys（Sci. Adv., 2019, DOI:10.1126/sciadv.aav2002）