美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Sci. Adv.: 钨基高熵合金的出色耐辐射性

【引言】

磁聚变反应堆中的关键部件，比如偏滤器或等离子体材料，都需要满足一些性能要求，包括低活化、高熔点、良好的机械性能、低溅射腐蚀和低氚保留/共沉积。这些部件必须在高温下长时间运行，在暴露于大等离子体热量和高能中性氢同位素（D和T）的情况下，不会发生故障或大面积侵蚀。钨是等离子体材料的好的选择，因为它具有较高的熔融温度、较低的腐蚀速率和较低的氚保留。然而，钨本身具有非常低的断裂韧性，这严重限制了部件的有效操作温度，并同时产生了一系列制造上的困难。目前已经观察到的结果是，D和He在中等温度下（<800K）会起泡，He在高温下（>1600K）会形成凹坑、空穴和起泡。这些现象的形成机理尚不清楚，但科学家猜测其很大归因于材料缺陷中D和He的积累。在稍微低一点的温度下（1250-1600K），将钨暴露在He等离子体中可以观察到纳米级起泡的产生。而在接近国际热核实验反应堆的工作条件下，可以发现材料表面具有纳米结构的形貌。这些纳米结构表面所增加的表面积和脆性引起了钨用作聚变反应堆等离子体材料的关注。

【成果简介】

近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发了一种具有优异耐辐射性能的体心立方钨基耐火高熵合金。该合金生长为薄膜，在纳米晶和超细体系中显示出双峰晶粒尺寸分布，并通过原子探针断层扫描（APT）显示出独特的4nm薄片结构。透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射显示材料在高温热退火后出现某些黑点。TEM和APT分析认为黑点的产生于富含Cr和V的第二相颗粒有关。此外，纳米力学测试结果显示沉积样品的硬度为14GPa，辐射硬化几乎可以忽略不计。结合ab initio和Monte Carlo模拟预测了富含V的第二相粒子的形成以及点缺陷的相等摩尔点作为辐射耐受性的起点。该成果以题为”Outstanding Radiation Resistance of Tungsten-Based High-Entropy Alloys”发表在Sci. Adv.上。

【图文导读】

Figure1.合金组份表征

(a).HEA膜的TEM表征

(b).HEA膜的元素分析

(c).HEA膜的横截面SEM表征

Figure2.HEA的APT分析

(a-d).Cr,V,Ta和W的3D分布

(e-h).元素二维组份分析

(i-l).三种不同GBs的俯视图

图3.TEM表征

图4.材料辐射后的TEM表征

(a).使用<111>区域成像显示小黑点

(b).双光束成像显示没有黑点

图5.HEA辐射后的APT分析

(a-d).Cr,V,Ta和W的三维分布

(e-h). Cr,V,Ta和W的二维组份分析

(i-l).三种不同GBs的俯视图

图6.原子构型的理论预测

(a).W₃₈Ta₃₆Cr₁₅V₁₁的SRO参数随温度的变化

(b).W₃₈Ta₃₆Cr₁₅V₁₁的原子构型模拟

(c).元素的平均浓度分布

【小结】

在这个工作中，作者开发了一种具有优异耐辐射性能的体心立方钨基耐火高熵合金。该合金生长为薄膜，在纳米晶和超细体系中显示出双峰晶粒尺寸分布，并通过原子探针断层扫描（APT）显示出独特的4nm薄片结构。透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射显示材料在高温热退火后出现某些黑点。TEM和APT分析认为黑点的产生于富含Cr和V的第二相颗粒有关。此外，纳米力学测试结果显示沉积样品的硬度为14GPa，辐射硬化几乎可以忽略不计。结合ab initio和Monte Carlo模拟预测了富含V的第二相粒子的形成以及点缺陷的相等摩尔点作为辐射耐受性的起点。

Outstanding Radiation Resistance of Tungsten-Based High-Entropy Alloys

(Sci. Adv., 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aav2002)

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