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高耐辐射钨基高熵合金
发布时间:2019-04-24 09:40:33发布者:Admin新闻种类:前沿动态

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, 钨本身断裂韧性非常低,极大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。

为了促使CET的发生,过冷液体必须存在于柱状前端之前,以使大部分等轴晶粒形核或使分离的固 体碎片或未熔化的粉末存活和生长。过冷(ΔTCS)溶质产生ΔTCS的速率由生长限制因子Q决定,其中 具有大Q值的溶质快速产生ΔTCS并且被认为是可以提供有效晶粒细化的生长限制溶质。Ti-6Al-4V中 的Al和V溶质不提供ΔTCS (Al和V溶质在Ti 中具有可忽略的Q值),因此Ti-6Al-4V难以实现CET。

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辐射高熵合金薄 膜(合金组成见图1)。该合金在纳米晶和超细体系中显示出双峰晶粒尺寸分布,并显示出独特的4nm 薄片结构(如图2)。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和原子探针断层扫描(APT)分析认为黑点的产生于富含Cr和V的第二相颗粒有关(如图3)。该材 料的初始硬度为14GPa,热处理及辐射仅仅产生轻微的硬化,可以忽略不计。

图1

图2

图3

来源: O. El-Atwani1 , N. Li, M. Li, A. Devaraj, J. K. S. Baldwin, M. M. Schneider, D. Sobieraj, J. S. Wróbel, D. Nguyen-Manh, S. A. Maloy and E. Martinez. Outstanding radiation resistance of tungsten-based high-entropy alloys, Science Advanced, 2019, 5, 261.

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