合肥研究院面向等離子體高性能鎢基合金研制獲系列進(jìn)展

　　近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所內(nèi)耗與固體缺陷研究室核材料研究團(tuán)隊與等離子體物理研究所羅廣南及西南物理研究院劉翔合作，在面向等離子體高性能鎢基合金研制方面取得新進(jìn)展，相關(guān)科研成果發(fā)表在Scientific Reports（2015, 5, 16014)和Journal of Nuclear Materials(10.1016/j.jnucmat.2015.10.052)上。

　　早在1946年，費米就指出“核技術(shù)的成敗取決于材料在反應(yīng)堆強(qiáng)輻射場下的行為”。人類在對裂變核能的長期應(yīng)用及研究過程中，也證明了材料在反應(yīng)堆中的重要性。在受控?zé)岷司圩儼l(fā)展過程中，需要解決的一個關(guān)鍵問題正是如何研發(fā)符合工程應(yīng)用要求的面向等離子體第一壁材料（PFMs），即直接與等離子體相互作用的材料。該材料要面臨高溫、高熱負(fù)荷、強(qiáng)束流粒子與中子輻照等綜合作用，其綜合性能如抗輻照、抗熱負(fù)荷、氫同位素滯留等性能優(yōu)劣關(guān)系到第一壁部件能否安全穩(wěn)態(tài)運行。各種材料中，金屬鎢以其高熔點、低濺射，氫滯留極低等特性被視為最有前途的候選材料。但純鎢具有明顯的室溫脆性、輻照脆化、熱負(fù)荷開裂及輻照誘導(dǎo)氫滯留增加等缺陷，限制了其作為PFMs材料的實際應(yīng)用。有研究表明，非金屬雜質(zhì)元素（如氧、氮等）在鎢中溶解度低，容易在晶界處偏聚形成納米脆化層膜，導(dǎo)致晶界結(jié)合力降低，從而引起晶間脆斷、并導(dǎo)致材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。

　　研究團(tuán)隊針對鎢材料的低溫脆性和強(qiáng)韌問題開展了系統(tǒng)的研究工作。根據(jù)計算模擬結(jié)果的建議，基于界面調(diào)控思想，科研人員采用微量納米ZrC添加強(qiáng)化晶界/相界，提高鎢基材料的綜合性能，并在基于百克級到公斤級小試樣工藝探索積累的基礎(chǔ)上，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Journal of Nuclear Materials (2015, 464, 193),Journal of Alloys and Compounds (2016, 657, 73)和Int. J. Refractory Metals&Hard Mater.(2015，51，180)上，對制備工藝進(jìn)行了放大和優(yōu)化，成功制備了具有室溫塑性、抗彎強(qiáng)度為2.5GPa的大尺寸(10公斤級/塊，8.5毫米厚)、高強(qiáng)度(700 MPa/500^oC)、高塑性(TE～41%)和低韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT～100 ^oC)的鎢基W-Zr-C合金板材料?；诇囟葹槭覝貢r，塊材耐4.4 MJ/m²的單次瞬態(tài)熱沖擊而不形成裂紋；基底溫度為200^oC時，耐1.0 MJ/m²的100次瞬態(tài)熱沖擊而不開裂。上述研究成果為鎢基合金的進(jìn)一步性能優(yōu)化、工程化制備及其實際應(yīng)用研究奠定了良好前期基礎(chǔ)。

　　上述研究得到了國家磁約束核聚變專項、國家自然科學(xué)基金和安徽省自然科學(xué)基金及合肥大科學(xué)中心精進(jìn)用戶等項目資助。

圖1. 晶界凈化-晶粒強(qiáng)化研發(fā)高性能W基合金：從“百克級、公斤級到10公斤級”三級跳

圖2. 研發(fā)的W-ZrC合金力學(xué)性能、微結(jié)構(gòu)及抗熱沖擊性能