《Tungsten》综述文章：核聚变领域钨基高熵合金研究进展

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摘要

聚变堆运行过程中的极端条件，如高热载荷和大量的高能量粒子，要求材料在高温下不仅要具有较高的强度和塑性，而且要具有优异的抗辐照性能。传统金属钨及其合金难以满足上述严苛的服役要求，钨基高熵合金具有优异的力学性能和抗辐照性能，它的发现为开发聚变堆用结构材料提供了新思路。

随着钨基高熵合金的快速发展，探索钨基高熵合金强韧化及抗辐照机制对于推动新型抗辐照钨基合金的研发具有重要意义。近日，中国工程物理研究院材料研究所 黄河副教授团队在英文刊《Tungsten》上在线发表了标题为“Recent progress of tungsten-based high-entropy alloys in nuclear fusion”的综述文章。该篇文章综述了钨基高熵合金的组织、力学性能和抗辐照性能研究现状，讨论了钨基高熵合金强韧化机理。在文章的最后，作者总结了钨基高熵合金目前所面临的挑战，并对未来研究方向进行了展望。

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图1为钨基高熵合金和钨基共晶高熵合金统计结果。数据分析表明，钨基高熵合金和钨基共晶高熵合金热力学参数特征明显，如具有较高的混合焓(ΔH_mix)、较小的尺寸差异(δ)，价电子浓度在4-9之间(VEC)，熵相关参数Φ则在100以上。

图1 127种钨基高熵合金(WDSSHEA)和钨基共晶高熵合金系(WEHEA)数据分析。(a) 合金体系分布 (b) 合金化的主要元素(c) 钨基高熵合金和钨基共晶高熵合金原子尺寸因素和混合熵的分布特征 (d) 钨基高熵合金和钨基共晶高熵合金价电子浓度(VEC)和熵相关参数Φ的分布特征（参文请见文章原文）。

图2 典型钨基高熵合金和钨基共晶高熵合金的屈服强度和塑性（参文请见文章原文）。

图3典型钨基共晶高熵合金的组织[1]

[1] Wu Q, et al. Mater.Lett., 2019;253:268 [2] Senkov O, et al. Intermetallics 2010; 18: 1758. [3] Chang R, et al. J. Alloys Compd. 2019; 790:732. [4] Liu X, et al. Acta Mater., 2020;186:257.

与传统合金类似，钨基高熵合金强度和塑性同时提升的机制有固溶强化、晶粒细化、间隙强化(C/O/N)、第二相强化、孪晶诱导塑性、相变诱导塑性、共晶组织和热处理。与传统合金不同的是，上述效应在高熵合金中表现更为明显。对于钨基高熵合金，目前已经发现的增强增塑机制有固溶强化、晶粒细化、第二相强化和共晶组织[2-4]。

典型钨基高熵合金的力学性能如图2所示，BCC型高熵合金具有较高强度和较低延伸率，如WNbTaMo；FCC型高熵合金具有较低屈服强度和较高延伸率，如(CoCrNi)₉₇W₃, 而BCC和FCC相组成的共晶高熵合金则同时具有较高的强度和塑性，如WFeNiMo，其典型的组织如图3所示。

图4 完全合金化和未完全合金化的WVCr高熵合金相组成及其辐照前后的光学照片。黑色颗粒位Cr 的颗粒。辐照条件:D⁺ 辐照通量: 6.6 ×10²²/m² · s/ 3h.

[5] Wang Z, et al. Phys.Rev.Mat.,2017;1:043601. [6] El-Atwani O, et al. Sci. Adv., 2019;5:eaav2002

目前，已有大量关于FCC和BCC基高熵合金的抗辐照性能得到提升的报道，例如在Ni基高熵合金中，一般认为是位错环迟滞运动是其抗辐照性能提升的主要因素。理论研究表明，高熵合金优异的抗辐照性能源于其较高的平衡空位浓度 [5]。最近的实验结果表明，WTaCrV高熵合金薄膜具有优异的抗辐照性能[6]，该合金即使在8dpa的辐照下，也未发现辐照位错环。纳米压痕硬度测试表明，辐照前后也未出现辐照硬化。这里需要指出的是，电弧熔炼只适用于实验室研究，粉末冶金法可以制备大尺寸的高熵合金样品。在粉末冶金法制备高熵合金过程中，须对合金化程度加以严格控制，未完全合金化会降低高熵合金的抗辐照性能，如图4所示。

总结与展望

目前关于钨基高熵合金和共晶高熵合金力学性能和抗辐照性能的研究尚在起步阶段。对于聚变领域的工程应用，其极端条件对钨基高熵合金的元素的选择提出了严格的要求。钨基高熵合金可以通过组织调控来有效提升强塑性，并兼具优异的抗辐照性能。

尽管在抗辐照钨高熵合金方面已经开展了卓有成效的研究，但仍存在几个问题尚待解决：（1）为了突破传统试错式“炒菜”方法的局限，快速准确的获取新型高性能钨基高熵合金体系，需要发展基于数据挖掘多目标优化的高通量设计方法；（2）钨基高熵合金不仅需要具备较高的强度、塑性和优异的抗辐照性能，同时还需要维持甚至是增强材料的热导率。

钨基高熵合金由于自身平衡空位浓度较高，使其具有优异的抗辐照性能，但也会由于声子与缺陷的强相互作用导致其热导率下降，这对材料在聚变堆极端环境下应用是极为不利的。未来，在上述问题得以解决的基础上，钨基高熵合金有望为核能聚变工程应用增添新的活力。

引用

Wang X, Huang H,  Shi J, Xu HY, Meng DQ. Recent progress of tungsten‑based high‑entropy alloys in nuclear fusion. Tungsten (2021). https://doi.org/10.1007/s42864-021-00092-8

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https://doi.org/10.1007/s42864-021-00092-8

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内容为【钨科技英文 Tungsten】公众号原创，供稿人：黄河，王鑫。

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专刊介绍

作者简介

黄河

黄河，高级工程师，毕业于中国工程物理研究院北京研究生部核燃料循环与材料专业。2016-2017年博士后工作于瑞典皇家理工学院，合作导师为Levente Vitos。主要从事聚变/裂变材料结构与性能设计研究，现担任科技部ITER人才项目首席、主持中物院创新基金1项。

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