近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所內(nèi)耗與固體缺陷研究室研究員劉長松課題組與等離子體物理研究所、北京航空航天大學(xué)及中科院近代物理研究所合作，在鎢晶界合金元素強(qiáng)化界面作用機(jī)理方面取得了新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在Acta Materialia (2016,120,315-326)上。
金屬鎢具有高熔點(diǎn)、低濺射、氫滯留極低等特性，是一種最具潛力的面向等離子體第一壁材料。然而，純鎢具有明顯的室溫脆性和輻照脆性等缺點(diǎn)。因此，改善鎢基材料的力學(xué)性能和抗輻照性能是聚變材料研究的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。微合金化和晶界優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高材料力學(xué)性能的重要途徑，通過添加一些有益的合金元素來強(qiáng)化界面，可有效提高材料的強(qiáng)度與韌性。然而，目前合金元素強(qiáng)化鎢晶界的作用規(guī)律與機(jī)制尚未清楚。例如，哪些元素易強(qiáng)化/脆化晶界？合金元素強(qiáng)化晶界能力與晶界的結(jié)構(gòu)與類型是否存在關(guān)系？因此，人們需要全面認(rèn)識合金元素強(qiáng)化鎢晶界能力與合金元素自身以及晶界結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，進(jìn)而為鎢基材料合金元素的優(yōu)化選擇以及晶界結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供理論指導(dǎo)。
科研人員基于第一性原理研究了19種過渡族合金元素（3d：Ti-Ni; 4d: Zr-Pd; 5d: Hf-Pt）在一系列典型鎢晶界中的偏聚和強(qiáng)化/脆化效應(yīng)。通過能量學(xué)方法（偏聚能和強(qiáng)化能）和動力學(xué)拉伸模擬（拉伸強(qiáng)度）來定量描述元素偏聚引起的晶界結(jié)合強(qiáng)度的變化，獲得強(qiáng)化能與晶界結(jié)構(gòu)以及與合金元素自身性質(zhì)（金屬半徑/最外層價(jià)電子數(shù)）之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明合金元素強(qiáng)化/脆化晶界能力與晶界結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。合金元素易強(qiáng)化晶界能較大的晶界，而易脆化晶界能較小的晶界。此外，合金元素強(qiáng)化晶界能力與元素自身的金屬半徑成正相關(guān)（如圖所示）。研究結(jié)果表明，尺寸效應(yīng)在其偏聚強(qiáng)化界面過程中起主導(dǎo)作用，即金屬半徑比鎢小的合金元素，易在晶界面處偏聚并能強(qiáng)化界面。該研究為高性能鎢基材料合金元素的優(yōu)化選擇以及晶界的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)：在晶界處添加Zr、Hf、Ta、Re及Ru等元素可有效提高晶界的結(jié)合強(qiáng)度，從而改善材料的力學(xué)性能。
上述研究工作得到了國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項(xiàng)目的資助。
