美國研制耐輻照鎢合金 適用聚變反應(yīng)堆與渦輪機(jī)材料

美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種新型耐輻照鎢合金，這種新材料或?qū)⒔鉀Q核聚變反應(yīng)堆中極端輻照環(huán)境下的材料抗斷裂能力弱的問題。

OSMAN EL ATWANI(左)和ENRIQUE MARTINEZ正在透射電鏡前工作

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(shí)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(shí)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。

洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出具有優(yōu)異耐輻射性能的體心立方鎢基耐火高熵合金。這種合金生長為薄膜，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”O(jiān)utstanding Radiation Resistance of Tungsten-Based High-Entropy Alloys”發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

論文的主要作者，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室“鎢基材料中的輻照效應(yīng)和等離子體材料相互作用”項(xiàng)目首席研究員Osman El Atwani表示，與純納米晶鎢材料和其他傳統(tǒng)合金相比，新型鎢基合金具有出色的抗輻照性能。他們正在對材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能和等離子體照射下的響應(yīng)進(jìn)行研究。

研究人員Enrique Martinez Saez說：“這種高熵合金的抗輻射能力前所未見。它在接受輻照后仍能保持優(yōu)異的力學(xué)性能。而傳統(tǒng)的抗輻照材料在接受輻照后力學(xué)性能會出現(xiàn)顯著衰退?！表?xiàng)目合作者、太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（簡稱PNNL）材料科學(xué)家Arun Devaraj指出，原子探針斷層掃描結(jié)果顯示，鎢合金含有的元素在原子水平上有一種有趣的分層現(xiàn)象。它們會在接受輻照時(shí)轉(zhuǎn)化為納米晶簇，這就是其高抗輻射性能的內(nèi)在機(jī)制。

這種新型鎢合金材料是一種薄膜形式制備的四元納米晶鎢-鉭-釩-鉻合金，研究人員已經(jīng)對合金材料在極端熱條件和輻照后的性能進(jìn)行了表征。Saez說：“我們還沒有進(jìn)行高腐蝕條件下的性能測試。但我看好它在那樣的嚴(yán)苛條件下也能有不錯(cuò)的表現(xiàn)。此外，如果它像預(yù)期中那樣具有出色的延展性，那么高熔點(diǎn)的鎢合金也能用作渦輪機(jī)材料。”

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