美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發出一種新型耐輻照鎢合金,這種新材料或將解決核聚變反應堆中極端輻照環境下的材料抗斷裂能力弱的問題。
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,在暴露於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,並同時產生了一系列製造上的困難。
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於材料缺陷中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。
洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發出具有優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,在納米晶和超細體系中顯示出雙峰晶粒尺寸分佈,並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後出現某些黑點。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《科學進展》雜誌上。
論文的主要作者,洛斯阿拉莫斯國家實驗室“鎢基材料中的輻照效應和等離子體材料相互作用”專案首席研究員Osman El Atwani表示,與純納米晶鎢材料和其他傳統合金相比,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力狀態下的力學性能和等離子體照射下的回應進行研究。
研究人員Enrique Martinez Saez說:“這種高熵合金的抗輻射能力前所未見。它在接受輻照後仍能保持優異的力學性能。而傳統的抗輻照材料在接受輻照後力學性能會出現顯著衰退。”項目合作者、太平洋西北國家實驗室(簡稱PNNL)材料科學家Arun Devaraj指出,原子探針斷層掃描結果顯示,鎢合金含有的元素在原子水準上有一種有趣的分層現象。它們會在接受輻照時轉化為納米晶簇,這就是其高抗輻射性能的內在機制。
這種新型鎢合金材料是一種薄膜形式製備的四元納米晶鎢-鉭-釩-鉻合金,研究人員已經對合金材料在極端熱條件和輻照後的性能進行了表徵。Saez說:“我們還沒有進行高腐蝕條件下的性能測試。但我看好它在那樣的嚴苛條件下也能有不錯的表現。此外,如果它像預期中那樣具有出色的延展性,那麼高熔點的鎢合金也能用作渦輪機材料。”