ITER面向等离子体部件之钨强化

钨材料由于其高熔点、高溅射阈值、高热导率、低蒸气压、低氢同位素滞留等优良特性被认为是制备国际热核聚变实验堆ITER和未来商业示范堆DEMO的面向等离子体部件的重要候选材料。

但是，钨的脆性是限制其在聚变堆PFC中应用的一个重要因素。一般认为其脆性来源主 要有三个方面：1、钨中的大量位错运动往往需要高的温度来激活，2、工业生产过程中钨中低溶解度杂质往往很难消除， O、N、H等有害杂质元素在钨晶界偏聚弱化晶界往往导致钨的脆性；3、聚变堆中PFC所处的高热流加载和高能中子辐照环境往往使钨易于出现再结晶脆化和辐照脆化。所以，钨的脆性会降低PFC的服役寿命进而威胁聚变装置安全，提高钨基材料的韧性是聚变材料界研究的重要课题之一。

有研究人员提出一种钨基面向等离子体材料，其特征在于：是以钨粉和钨纤维为原料制成，按钨纤维占基体钨粉体积比约10％-30％的配比选取钨粉；其是由利用不至于损伤钨纤维的混粉方法使钨粉粉末与钨纤维混合均匀，然后利用热等静压工艺烧结制备块体纤维增韧钨基材料而得，所述的钨粉是纯钨粉末或钨铼合金粉末中的一种，所述的钨纤维是纯钨纤维或钨铼等合金纤维。所述的频骤如下：

1、购买高品质的商业掺杂钨丝和还原钨粉，要求：掺杂钨丝的再结晶温度需达到2000K，直径在10-300μm左右，拉伸强度需在2.5GPa以上；还原钨粉杂质含量需尽可能低(纯度＞99.5wt％)且晶粒尺寸尽可能小(＜3μm)以提高烧结品质；

2、为了改善钨纤维与钨基体的界面性能，需要在钨丝上利用物理(化学) 气相沉积或者溶胶-凝胶等方法制备中间层薄膜，如ZrO₂、La₂O₃、Y₂O₃、C等薄膜/涂层；

3、将直径约10-300μm的钨丝短切成1-5mm长，然后按纤维占基体体积比约 10％-30％的配比选取钨粉并在低能球磨机中混合均匀，混料结束后将所得粉体置于优于10-3Pa数量级的真空中在500-800℃下保温0.5-1h除气。

4、将混合均匀的粉体利用热等静压方法进行烧结，烧结温度应在1700K左右为宜，压强为200MPa左右，工作气体为氩气，包套选择钛材料。

5、根据聚变堆PFC的设计要求，可由热等静压工艺直接烧结制成不同形状和尺寸的部件，或将烧结制备的Wf/W材料加工成要求部件。

6、制得的产品很好的保持了商用钨高熔点，高热导，低氢同位素滞留等优点；同时性能各向同性优于CVD制备的钨连续长纤维复合材料；因采用工业基础很好的原材料和粉末烧结法，成本低廉；三点弯曲测试显示该材料能显示出商用多晶钨不具备的非弹性变形能力，这是因为加载过程中出现了裂纹沿纤维和基体界面扩展及脱粘界面相对摩擦滑动进一步耗散能量，极大的提高了脆性钨基材料的韧性。

综上所述，本方法制备的Wf/W复合材料是一种前景广阔的面向等离子体材料。

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