面向等离子体材料钨合金力学性质的第一性原理研究

发布时间：2018-07-16 20:31

【摘要】：可控核聚变能作为一种理想能源已经引起世界广泛的关注,然而核聚变反应堆中复杂的工作环境对材料提出了严格的要求。它的关键挑战之一是面临高温等离子体的第一壁材料,即“面向等离子体材料”(Plasma Facing Materials,PFMs)。由于金属钨具有熔点高、高温高机械强度、高自溅射阈值能量、高热导系数、低热膨胀系数、低氚滞留和高抗等离子体侵蚀能力等特点,被认为是PFMs最有希望的材料之一。然而,纯钨金属表现出较差的辐射稳定性和断裂韧性,低的延展性与高韧脆转变温度(DBTT)。特别是固有杂质(C,N,O)及嬗变产物(H,He,D,T)进入钨金属材料中,严重影响钨金属的力学特性和结构强度。在钨金属中掺杂合金元素可降低韧脆性转变温度和提高再结晶温度,以达到改善其性能的目的。因此,本文采用第一性原理方法研究了部分元素(Y,Ti,Ta)对钨金属力学特性的影响,讨论了弹性常数、弹性模量、泊松比和柯西压力等参数与材料性能之间的关系。同时研究了W-Ti二元合金对碳、氢杂质介入的影响,着重讨论了碳、氢杂质与钨合金晶格之间的相互作用机理。通过对钨合金材料的成分和结构的设计以便制备出性能优越的新型钨合金材料。基于密度泛函理论第一性原理方法研究了部分W合金(掺杂Y、Ti和Ta)材料的力学性质,同时研究了W-Ti二元合金对C、H杂质介入的影响。研究结果表明,在W晶格中分别掺杂元素Y、Ti和Ta均降低了W金属材料的力学强度。然而,W合金材料的延展性均得到了明显的改善。当Y的含量为0.25时,可有效改善W-Y二元合金的延展性和抵抗变形的能力。当Ti的含量低于0.25时,W-Ti二元合金具有热力学稳定结构。在W-Ti结构中,W0.8125Ti0.1875二元合金具有最低的形成能。虽然W-Ti二元合金的力学强度低于纯钨金属,但它比纯钛金属高很多。另一方面,W-Ti二元合金的延展性均高于纯W金属,甚至高于纯Ti金属,表明Ti合金化可以大幅度提高金属W的延展性。在W-Ta结构中,W-Ta二元合金是一种无限固溶体,W0.5Ta0.5二元合金具有最低的形成能。虽然W-Ta二元合金的力学强度低于纯钨金属,但它比纯Ta金属高很多。另一方面,W-Ta二元合金的延展性均高于纯W金属,甚至高于纯Ta金属,表明Ta合金化也可以大幅度提高W金属的延展性。在W-Ti晶格,单一C原子最容易占据最近邻Ti原子的八面体间隙位置(OIS),最小溶解能约为0.874 eV。单一H原子最容易占据最近邻Ti原子的四面体间隙位置(TIS),最小溶解能约为-0.606 eV。W-Ti二元合金对C、H杂质的迁移行为影响较小。然而,C杂质迁移的能量势垒相当高,最高的能量势垒高达1.600 eV。H杂质迁移的能量势垒约为0.186eV~0.206 eV。基于弹性常数分析,W-Ti二元合金可能补偿由C、H杂质引起的W金属力学强度的衰退。同时发现C、H杂质对纯钨金属和W-Ti二元合金的延展性均有改善,但对纯钨金属的延展性改善更为明显。此外,在纯W金属结构中,替代C原子相比间隙C原子更能提高纯W金属的延展性。这些计算结果为进一步优化W合金的成分起一个导向作用,有助于理解C、H杂质与W-Ti晶格之间的相互作用,也为研究面向等离子体材料提供有益的资源库。
[Abstract]:Controllable nuclear fusion can be regarded as an ideal source of energy , but the complex working environment in nuclear fusion reactors imposes strict requirements on materials . One of the key challenges is to face the first wall material of high - temperature plasma , that is , " Plasma - facing Materials " ( PFMs ) . The effects of W - Ti binary alloys on the mechanical properties of W - Ti binary alloys have been studied . The ductility of W - Ti binary alloys is higher than that of pure W metals , even higher than that of pure Ta metals . It indicates that Ta alloying can significantly improve the ductility of W metals .
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG146.411;TL627

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