近日，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種具有優(yōu)異耐輻射性能的體心立方鎢基耐火高熵合金。該合金生長(zhǎng)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(cè)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(cè)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”Outstanding Radiation Resistance of Tungsten-Based High-Entropy Alloys”發(fā)表在Sci. Adv.上。

       磁聚變反應(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(zhǎng)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(huì)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(huì)起泡，He在高溫下（>1600K）會(huì)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(cè)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(jí)起泡的產(chǎn)生。而在接近國(guó)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。

       在這個(gè)工作中，作者開發(fā)了一種具有優(yōu)異耐輻射性能的體心立方鎢基耐火高熵合金。該合金生長(zhǎng)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(cè)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(cè)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)。

圖3:TEM表征

圖4:材料輻射后的TEM表征 (a).使用<111>區(qū)域成像顯示小黑點(diǎn);(b).雙光束成像顯示沒有黑點(diǎn)

圖5:HEA輻射后的APT分析 (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

原文鏈接：Outstanding Radiation Resistance of Tungsten-Based High-Entropy Alloys(Sci. Adv., 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aav2002)