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(diǎn)、良好的機(jī)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(yùn)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?yàn)樗哂休^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(jī)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dú)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(diǎn)。TEM 和 APT 分析認(rèn)為黑點(diǎn)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(jì)。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(diǎn)缺陷的相等摩爾點(diǎn)作為輻射耐受性的起點(diǎn)。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(diǎn)（b）。 雙光束成像顯示沒有黑點(diǎn)

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(dú)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(diǎn)。TEM 和APT 分析認(rèn)為黑點(diǎn)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(jì)。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(diǎn)缺陷的相等摩爾點(diǎn)作為輻射耐受性的起點(diǎn)。

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