日本对改性钨材料的最新研究

为研制改性钨材料，在过去的十年里，在日本的大学合作研发下，耐辐照W材料的开发已经取得了进展，其热机械性能得到改善。研究人员对晶粒细化、加工硬化、合金化和分散强化进行了研发，旨在改善改性钨材料的延展性和韧性，即使在中子辐照下。

有几种特殊的生产方法可以获得具有优良性能的材料，例如，通过利用机械合金化（MA）的粉末冶金方法制造的超细晶粒（UFG）W-TiC紧凑型，然而，到目前为止，一些方法只限于实验室规模的材料生产。因此，本研发项目选择了粉末冶金法，以获得具有微观结构均匀性的大规模生产的W材料。

在一篇综述文章中研究人员从高温微观结构稳定性（恢复、再结晶和晶粒生长）、夏比冲击性能和拉伸性能的角度讨论了晶粒细化、通过钾泡（K-掺杂）进行分散强化、通过氧化镧（La2O3）颗粒进行分散强化和通过铼（Re）进行固溶合金化的影响。

掺K是一种常见的W材料的分散强化方法，历史上曾被用于W长丝等。掺K的W含有包括K原子的纳米气泡（约为ppm），主要分散在晶界上。K-气泡是在烧结过程中通过K的挥发产生的，K被添加到原材料粉末中。由于K-气泡可以阻碍晶界和位错的运动，它们导致了高温下的强化和抑制再结晶。此外，与纯W相比，K-掺杂可以产生更细的晶粒，因为K-气泡抑制了晶界迁移。这种晶粒细化也导致了强化和增韧。通过应用La2O3颗粒的分散，预计会有类似的积极效果。

用Re合金化也是W材料固溶合金化的一种常见方法。众所周知，体心立方(bcc)金属中的替代固溶体元素，如W中的Re，可以引起高温下的固溶强化和低温下的固溶软化。W材料中的固溶体Re不仅可以提高机械性能，还可以提高抗再结晶和中子辐照的能力。通过添加Re，热机械性能、抗再结晶能力和抗中子辐照能力的变化取决于Re的添加量。

像DEMO这样的未来核聚变反应堆预计将长期运行。因此，对长期结构可靠性和寿命的评估是至关重要的。对于PFMs，应评估与时间有关的现象和特性，例如循环疲劳、蠕变、蠕变-疲劳相互作用、棘轮、塑性应变的积累、长期微观结构稳定性和中子辐照效应。因此，本文也描述了本研发项目中开发的纯W材料和改性W材料的疲劳寿命、长期微结构稳定性和中子辐照效应的评估结果。

此外，聚变反应堆分流器的PFMs将承受复杂的热负荷，包括稳态、瞬态和ELM热负荷。在这些热负荷环境下，综合热机械性能非常重要，因为各种类型的负荷会同时施加。与材料有关的结构和寿命限制不能通过考虑单独的材料特性来确定，而是要通过评估协同负载效应。

参考来源：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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