核聚变应用中钨合金的氧化保护

安徽工业大学近期展开的一项研究，提出了核聚变应用中钨合金的氧化保护的新措施。作为等离子体导向材料（plasma guide material, PFM），钨被广泛用于核聚变反应堆。然而，它在高温下的抗氧化性很差。当反应堆失冷事故发生时，由于空气进入真空室，钨被迅速氧化和挥发，这有可能会引起灾难性的核泄漏事。研究人员指出自钝化钨合金和表面保护技术是解决这一问题的有效途径。

随着人类社会的发展，能源危机越来越严重，而核能被认为是最有前途的能源之一。根据热核聚变应用的原理，控制氢核聚变反应产生聚变能被认为是未来解决能源问题的理想途径。作为国际热核聚变实验反应堆（International Thermal Fusion Experimental Reactor, ITER）的重要组成部分，分流器的可靠性和稳定性仍将是稳定输出核能的关键因素。

它需要承受高热流（HHF）、高能物品、电磁辐射和高能聚变反应中子辐照（14MeV）造成的损害。因此，对PFM的性能有严格的要求。金属钨被认为是理想的PFM，因为它具有高熔点、高导热性、低物理溅射率、低燃料滞留和低中子活化的优良特性。然而，钨及其合金的表面熔化、开裂、再结晶脆化和辐照硬化（脆化）在核反应堆中很容易发生，导致严重的表面隆起和断裂。

特别是当失去冷却剂事故（LOCA）发生时，在缺乏冷却剂的情况下，由于中子辐照后元素的衰变和热释放，表面温度将在几天内达到1000℃以上。空气和蒸汽通过裂缝进入真空室后，钨装甲将发生灾难性的氧化。钨在短时间内被氧化成挥发性和高放射性的WO3。最后，它将在1-2个月内完全消失，这将造成不可估量的灾难性影响。为了减少W的损失，延长其在高温氧化环境下的使用寿命。自钝化钨合金及其表面保护技术的发展已引起广泛关注。

这项工作给出了自钝化钨合金及表面涂层保护技术。优化合金的制备工艺（HIPed合金的热处理等）可以有效减少或消除其内部的裂纹和孔洞、热应力和残余应力，从而降低其表面的粗糙度和孔隙率。此外，还可以加入一些有益元素（Ti、Zr、Y、Nb等）来提高W基合金的高温强度，减缓Cr阳离子的扩散，促进氧化膜的形成。

合金化与表面涂层的两步沉积工艺可以使各种元素在扩散过程中优势互补，使涂层结构得到进一步优化。

因此，合金化与表面涂层技术相结合是一种非常有前途的氧化保护方法。它不仅可以提高钨合金的机械性能和中温抗氧化性，还可以有效提高合金的高温抗氧化性。通过合金元素和涂层的扩散，可以优化涂层结构和成分，也可以减少涂层与基体之间CTE错配造成的缺陷，有效提高W基材料的抗氧化性。

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