合肥研究院面向等離子體高性能鎢基合金研制獲系列進展

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所內耗與固體缺陷研究室核材料研究團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展，相關科研成果發表在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“核技術的成敗取決于材料在反應堆強輻射場下的行為”。人類在對裂變核能的長期應用及研究過程中，也證明了材料在反應堆中的重要性。在受控熱核聚變發展過程中，需要解決的一個關鍵問題正是如何研發符合工程應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、高熱負荷、強束流粒子與中子輻照等綜合作用，其綜合性能如抗輻照、抗熱負荷、氫同位素滯留等性能優劣關系到第一壁部件能否安全穩態運行。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、熱負荷開裂及輻照誘導氫滯留增加等缺陷，限制了其作為PFMs材料的實際應用。有研究表明，非金屬雜質元素（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，導致晶界結合力降低，從而引起晶間脆斷、并導致材料的韌脆轉變溫度升高。

　　研究團隊針對鎢材料的低溫脆性和強韌問題開展了系統的研究工作。根據計算模擬結果的建議，基于界面調控思想，科研人員采用微量納米ZrC添加強化晶界/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上，相關研究結果發表在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，對制備工藝進行了放大和優化，成功制備了具有室溫塑性、抗彎強度為2.5GPa的大尺寸(10公斤級/塊，8.5毫米厚)、高強度(700 MPa/500oC)、高塑性(TE～41%)和低韌脆轉變溫度(DBTT～100 oC)的鎢基W-Zr-C合金板材料。基底溫度為室溫時，塊材耐4.4 MJ/m2的單次瞬態熱沖擊而不形成裂紋；基底溫度為200oC時，耐1.0 MJ/m2的100次瞬態熱沖擊而不開裂。上述研究成果為鎢基合金的進一步性能優化、工程化制備及其實際應用研究奠定了良好前期基礎。

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

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

圖2. 研發的W-ZrC合金力學性能、微結構及抗熱沖擊性能