日本對改性鎢材料的最新研究

為研製改性鎢材料，在過去的十年裡，在日本的大學合作研發下，耐輻照W材料的開發已經取得了進展，其熱機械性能得到改善。研究人員對晶粒細化、加工硬化、合金化和分散強化進行了研發，旨在改善改性鎢材料的延展性和韌性，即使在中子輻照下。

有幾種特殊的生產方法可以獲得具有優良性能的材料，例如，通過利用機械合金化（MA）的粉末冶金方法製造的超細晶粒（UFG）W-TiC緊湊型，然而，到目前為止，一些方法只限於實驗室規模的材料生產。因此，本研發項目選擇了粉末冶金法，以獲得具有微觀結構均勻性的大規模生產的W材料。

在一篇綜述文章中研究人員從高溫微觀結構穩定性（恢復、再結晶和晶粒生長）、夏比衝擊性能和拉伸性能的角度討論了晶粒細化、通過鉀泡（K-摻雜）進行分散強化、通過氧化鑭（La2O3）顆粒進行分散強化和通過錸（Re）進行固溶合金化的影響。

摻K是一種常見的W材料的分散強化方法，歷史上曾被用於W長絲等。摻K的W含有包括K原子的納米氣泡（約為ppm），主要分散在晶界上。K-氣泡是在燒結過程中通過K的揮發產生的，K被添加到原材料粉末中。由於K-氣泡可以阻礙晶界和位錯的運動，它們導致了高溫下的強化和抑制再結晶。此外，與純W相比，K-摻雜可以產生更細的晶粒，因為K-氣泡抑制了晶界遷移。這種晶粒細化也導致了強化和增韌。通過應用La2O3顆粒的分散，預計會有類似的積極效果。

用Re合金化也是W材料固溶合金化的一種常見方法。眾所周知，體心立方(bcc)金屬中的替代固溶體元素，如W中的Re，可以引起高溫下的固溶強化和低溫下的固溶軟化。W材料中的固溶體Re不僅可以提高機械性能，還可以提高抗再結晶和中子輻照的能力。通過添加Re，熱機械性能、抗再結晶能力和抗中子輻照能力的變化取決於Re的添加量。

像DEMO這樣的未來核聚變反應堆預計將長期運行。因此，對長期結構可靠性和壽命的評估是至關重要的。對於PFMs，應評估與時間有關的現象和特性，例如迴圈疲勞、蠕變、蠕變-疲勞相互作用、棘輪、塑性應變的積累、長期微觀結構穩定性和中子輻照效應。因此，本文也描述了本研發專案中開發的純W材料和改性W材料的疲勞壽命、長期微結構穩定性和中子輻照效應的評估結果。

此外，聚變反應堆分流器的PFMs將承受複雜的熱負荷，包括穩態、瞬態和ELM熱負荷。在這些熱負荷環境下，綜合熱機械性能非常重要，因為各種類型的負荷會同時施加。與材料有關的結構和壽命限制不能通過考慮單獨的材料特性來確定，而是要通過評估協同負載效應。

參考來源：Nogami S, Hasegawa A, Fukuda M, et al. Mechanical properties of tungsten: recent research on modified tungsten materials in Japan[J]. Journal of Nuclear Materials, 2021, 543: 152506.

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