高熵合金:面向聚变堆抗辐照损伤的新型候选材料

发布时间：2021-09-30 02:58

　　随着核聚变技术的发展,材料的辐照损伤作为制约其发展的重要问题越来越受到人们的关注。材料在聚变堆服役时面临着高温、高密度等离子体溅射、腐蚀、中子辐照等一系列极端工况,这就要求材料具备良好的力学性能、抗中子辐照能力、抗等离子体溅射能力、耐腐蚀等诸多特性。近年来,高熵合金作为一种面向聚变堆抗辐照损伤的新型候选材料逐渐发展起来,其抗辐照损伤能力的评估以及辐照损伤机理都值得深入研究。高熵合金是一种新的合金设计理念,可通过多主元合金自身较高的熵值和原子不易扩散的特性获得热稳定性高的固溶相。高熵合金具有区别于传统合金的特性,包括高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应以及性能上的"鸡尾酒"效应,这些特性使高熵合金具有高的强度和硬度、耐腐蚀性能、抗高温软化性能、良好的软磁性能等优势。目前高熵合金的辐照损伤研究主要通过离子辐照进行,集中在位错环演化、氦泡演化以及相稳定性的研究等方面。研究发现,离子辐照后高熵合金中的位错环、氦泡的尺寸被显著减小,这归因于高熵合金基体本身存在较大的畸变,它们作为吸附空位、氦原子等缺陷的阱缓解了辐照损伤。另外,目前针对聚变堆的高温工况,开发了以V、Hf、Ta、W等高熔点元素为主元... 

【文章来源】：材料导报. 2020,34(17)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

FeCrNiMn高熵合金与奥氏体不锈钢的位错环密度受辐照温度的影响[31]

有研究对比了高熵合金与不锈钢的抗辐照损伤性能。Tunes等[38]在透射电镜下对FCC结构的CrFeNiMn高熵合金与AISI-348奥氏体不锈钢进行了原位辐照,辐照条件是室温,注入离子为60 keV的He离子与134 keV的Xe离子,最大注量为4 dpa。随后对辐照后的样品在673 K下进行原位加热,使材料中产生的气泡聚集长大。研究发现,高熵合金中氦泡与氙泡的长大速度比其他材料缓慢。Yang等[39]研究了纯Ni、304不锈钢以及CoCrFeNiMn高熵合金在室温和450 ℃下200 keV的He离子注入约17 dpa时的辐照损伤行为。研究发现,室温下,三种材料中氦泡的平均尺寸相同,都在2 nm左右;而450 ℃下,高熵合金中氦泡的平均尺寸最小、密度最大,如图5所示。这说明CoCrFeNiMn高熵合金在450 ℃下的抗离子辐照能力要优于304不锈钢, 推测是高温时高熵合金由于高熵效应、晶格畸变效应,空位扩散能力低于304不锈钢。图5 样品的TEM图像:

图4 500 ℃下1.5 MeV和3 MeV的Ni离子辐照到(a) 3×1015 cm-2,(b)5×1016 cm-2后不同合金中的气泡分布图,放大图中的标尺为50 nm[33]最新研究报道了高熵合金的氦泡抑制原理。Wang等[40]对比研究了ZrTiHfCuBeNi和ZrTiHfCuBe两种高熵合金在100 keV的He离子室温辐照1.0×1018 ions/cm2的辐照行为,发现ZrTiHfCuBeNi合金的抗辐照性能(氦泡产量与硬度增量)要优于ZrTiHfCuBe合金,认为是由于ZrTiHfCuBeNi合金具有更大的混合熵和负的混合焓。Velisa等[41]对NiCoCr合金进行了150 K、300 K和500 K的1.5 MeV Ni离子注入,发现合金在300 K以下有良好的抗辐照性能,在300 K以上,由于有序度的逐渐丧失,合金的抗辐照性能有所降低,如图6所示。这说明大的混合熵、负的混合焓以及良好的有序度可以提高高熵合金的抗辐照性能。

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3414988