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(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(guān)科研成果發(fā)表在scientificreports（2015,5,16014)和journalofnuclearmaterials(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(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。

研究團隊針對鎢材料的低溫脆性和強韌問題開展了系統(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journalofnuclearmaterials(2015,464,193),journalofalloysandcompounds(2016,657,73)和int.j.refractorymetals&hardmater.(2015，51，180)上，對制備工藝進行了放大和優(yōu)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(700mpa/500oc)、高塑性(te～41%)和低韌脆轉(zhuǎn)變溫度(dbtt～100oc)的鎢基w-zr-c合金板材料。基底溫度為室溫時，塊材耐4.4mj/m2的單次瞬態(tài)熱沖擊而不形成裂紋；基底溫度為200oc時，耐1.0mj/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)中心精進用戶等項目資助。