美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室Sci. Adv.: 鎢基高熵合金的出色耐輻射性

【引言】

磁聚變反應堆中的關鍵部件，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，這嚴重限制了部件的有效操作溫度，并同時產生了一系列制造上的困難。目前已經觀察到的結果是，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。這些現象的形成機理尚不清楚，但科學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生。而在接近國際熱核實驗反應堆的工作條件下，可以發現材料表面具有納米結構的形貌。這些納米結構表面所增加的表面積和脆性引起了鎢用作聚變反應堆等離子體材料的關注。

【成果簡介】

近日，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發了一種具有優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薄片結構。透射電子顯微鏡（TEM）和X射線衍射顯示材料在高溫熱退火后出現某些黑點。TEM和APT分析認為黑點的產生于富含Cr和V的第二相顆粒有關。此外，納米力學測試結果顯示沉積樣品的硬度為14GPa，輻射硬化幾乎可以忽略不計。結合ab initio和Monte Carlo模擬預測了富含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 Radiation Resistance of Tungsten-Based High-Entropy Alloys”發表在Sci. Adv.上。

【圖文導讀】

Figure 1.合金組份表征

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(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

Figure 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

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圖4.材料輻射后的TEM表征

(a).使用<111>區域成像顯示小黑點

(b).雙光束成像顯示沒有黑點

圖5.HEA輻射后的APT分析

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(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.原子構型的理論預測

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(a).W₃₈Ta₃₆Cr₁₅V₁₁的SRO參數隨溫度的變化

(b).W₃₈Ta₃₆Cr₁₅V₁₁的原子構型模擬

(c).元素的平均濃度分布

【小結】

在這個工作中，作者開發了一種具有優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薄片結構。透射電子顯微鏡（TEM）和X射線衍射顯示材料在高溫熱退火后出現某些黑點。TEM和APT分析認為黑點的產生于富含Cr和V的第二相顆粒有關。此外，納米力學測試結果顯示沉積樣品的硬度為14GPa，輻射硬化幾乎可以忽略不計。結合ab initio和Monte Carlo模擬預測了富含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。

Outstanding Radiation Resistance of Tungsten-Based High-Entropy Alloys

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

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。 ?

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