[发明专利]一种钨基柱状晶高熵合金面对等离子体材料及其制备方法

说明书

一种钨基柱状晶高熵合金面对等离子体材料及其制备方法属于核聚变能源应用领域。所述的钨基柱状晶高熵合金，具有(001)取向的柱状晶粒，晶粒尺寸为10‑70μm。各元素在高熵合金中所占原子百分比范围为：W 20～35％，Ta 10～25％，Cr 10～25％，V 10～20％，Ti 5～20％，Y 5～20％。本发明所述钨基柱状晶高熵合金致密度约可达99％以上，并且纯度也超过99.9％，柱状晶尺寸可以控制在10‑70μm，能够显著降低辐照后材料中的燃料滞留。本发明所述的钨基柱状晶高熵合金，由于高熵效应，经辐照后材料内部的间隙子和空位的迁移能更为接近，导致二者的复合率更高，可以显著提升材料抗中子辐照能力。

技术领域

本发明属于核聚变能源应用领域，具体涉及一种面对等离子体材料的设计，即钨基柱状晶高熵合金，该发明适用于高束流等离子体及高通量聚变中子辐照环境中，作为核聚变装置中面对等离子体材料使用。

背景技术

高效清洁的能源已逐渐成为未来能源发展的最终走向。核聚变能源因其储量丰富，与裂变相比无放射性，清洁高效，有望成为未来社会中的终极能源。核聚变是指两个或两个以上的轻原子核，如氘、氚，聚合生成一个较重的原子核并且释放出大量能量的过程。但目前由于受到技术限制，可控核聚变一直没有得以实现。其中，边界等离子体与材料相互作用是其中的难点之一。目前使用的钨材料在中子、等离子体辐照下会产生微观结构改变，例如气泡、孔洞和其他纳米结构生成。与此同时，辐照还会导致材料硬化并使其变脆，严重影响材料的服役表现，因此高性能钨基面对等离子体材料的开发势在必行。

高熵合金依据成分一般定义为多种合金元素以等原子比或近等原子比，且每个组元原子分数为5％到35％之间的合金，该合金具有优异的热力学性质，可以在一定程度上提高材料的强度、硬度、耐高温及耐腐蚀等性能。此外，由于高熵合金中空位与间隙子的迁移能更为接近，二者的复合率更高，由此导致高熵合金的抗离位损伤能力更强，抗辐照性能更优。

柱状晶材料由于其垂直于材料表面的柱状组织结构，晶界大多垂直于材料表面，这些晶界可以作为输运通道，使得在等离子体辐照过程中进入材料中的氢、氦沿晶界返回至等离子体中，在降低材料中燃料滞留的同时，提升了燃料的利用率。

目前钨基高熵合金体系中研究较多的是薄膜材料，柱状晶高熵合金未见报道。本发明涉及一种具有体心立方(BCC)相柱状晶结构的钨基高熵合金材料。

发明内容

本发明旨在提供一种钨基柱状晶高熵合金面对等离子体材料。

本发明所述的钨基柱状晶高熵合金，其特征在于，具有(001)取向的柱状晶粒，晶粒尺寸为10-70μm。各元素在高熵合金中所占原子百分比范围为：W 20～35％，Ta 10～25％，Cr 10～25％，V 10～20％，Ti 5～20％，Y 5～20％。

本发明所述的钨基柱状晶高熵合金为块体材料。

本发明所述的钨基柱状晶高熵合金的制备方法，其特征在于：采用化学气相沉积、真空感应熔炼、电子束熔炼的方法，均可制备本发明提供的钨基柱状晶高熵合金，并可以根据需要制备多种组分的合金。

采用化学气相沉积方法的制备步骤为：将气态WF₆、TaF₅、CrF₃、VF₄、TiF₃、YF₃按照所需元素比例充分混合，采用轧制钨板作为沉积基体，通电加热基体至600-1000℃，将上述混合氟化气体与氢气经针阀、流量计控制，按混合氟化气体与氢气体积比1:2.0-2.28的比例混合通入反应室。经充分反应后，反应产物沉积在轧制钨板上，沉积至所需厚度便可将所得的柱状晶高熵合金冷却取出。