ITER面向等離子體部件之鎢強化

鎢材料由於其高熔點、高濺射閾值、高熱導率、低蒸氣壓、低氫同位素滯留等優良特性被認為是製備國際熱核聚變實驗堆ITER和未來商業示範堆DEMO的面向等離子體部件的重要候選材料。

但是，鎢的脆性是限制其在聚變堆PFC中應用的一個重要因素。一般認為其脆性來源主 要有三個方面：1、鎢中的大量位元錯運動往往需要高的溫度來啟動，2、工業生產過程中鎢中低溶解度雜質往往很難消除， O、N、H等有害雜質元素在鎢晶界偏聚弱化晶界往往導致鎢的脆性；3、聚變堆中PFC所處的高熱流載入和高能中子輻照環境往往使鎢易於出現再結晶脆化和輻照脆化。所以，鎢的脆性會降低PFC的服役壽命進而威脅聚變裝置安全，提高鎢基材料的韌性是聚變材料界研究的重要課題之一。

有研究人員提出一種鎢基面向等離子體材料，其特徵在於：是以鎢粉和鎢纖維為原料製成，按鎢纖維占基體鎢粉體積比約10％-30％的配比選取鎢粉；其是由利用不至於損傷鎢纖維的混粉方法使鎢粉粉末與鎢纖維混合均勻，然後利用熱等靜壓工藝燒結製備塊體纖維增韌鎢基材料而得，所述的鎢粉是純鎢粉末或鎢錸合金粉末中的一種，所述的鎢纖維是純鎢纖維或鎢錸等合金纖維。所述的頻驟如下：

1、購買高品質的商業摻雜鎢絲和還原鎢粉，要求：摻雜鎢絲的再結晶溫度需達到2000K，直徑在10-300μm左右，拉伸強度需在2.5GPa以上；還原鎢粉雜質含量需盡可能低(純度＞99.5wt％)且晶粒尺寸盡可能小(＜3μm)以提高燒結品質；

2、為了改善鎢纖維與鎢基體的介面性能，需要在鎢絲上利用物理(化學) 氣相沉積或者溶膠-凝膠等方法製備中間層薄膜，如ZrO₂、La₂O₃、Y₂O₃、C等薄膜/塗層；

3、將直徑約10-300μm的鎢絲短切成1-5mm長，然後按纖維占基體體積比約 10％-30％的配比選取鎢粉並在低能球磨機中混合均勻，混料結束後將所得粉體置於優於10-3Pa數量級的真空中在500-800℃下保溫0.5-1h除氣。

4、將混合均勻的粉體利用熱等靜壓方法進行燒結，燒結溫度應在1700K左右為宜，壓強為200MPa左右，工作氣體為氬氣，包套選擇鈦材料。

5、根據聚變堆PFC的設計要求，可由熱等靜壓工藝直接燒結製成不同形狀和尺寸的部件，或將燒結製備的Wf/W材料加工成要求部件。

6、制得的產品很好的保持了商用鎢高熔點，高熱導，低氫同位素滯留等優點；同時性能各向同性優於CVD製備的鎢連續長纖維複合材料；因採用工業基礎很好的原材料和粉末燒結法，成本低廉；三點彎曲測試顯示該材料能顯示出商用多晶鎢不具備的非彈性變形能力，這是因為載入過程中出現了裂紋沿纖維和基體介面擴展及脫粘介面相對摩擦滑動進一步耗散能量，極大的提高了脆性鎢基材料的韌性。

綜上所述，本方法製備的Wf/W複合材料是一種前景廣闊的面向等離子體材料。

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