第35卷第6期
2020年12月China Tungsten Industry Dec.2020 DOI:10.3969/j.iss/.1009-0622.2020.06.009
核聚变堆面向等离子体含—高/合金材料研究
现状与发展趋势
李媛，韩勇，范景莲
(中南大学粉末冶金研究院，湖南长沙)
扌商要：随着自然资源的日益匮乏，核聚变能被认为是解决未来能源问题的最有效途径之一。但在核聚变的实际应用过程中，面向等离子体材料(PFM)是严重制约其发展的一个关键要素。V作为未来核聚变装置中最有前景的PFM 候选材料，具有低变等能面的，大限制了其在聚变堆中的应用。为应对纯V材料作为等离子体材料的，添加其他多的含V金为聚变堆面向等离子体材料研1的对前V金材料的研1进展了，对未来V金材料在聚变的研初中英语教材下载
1发展方向了展望。
关键词：核聚变；面向等离子体材料(PFM)；含V高爛合金
中图分类号:TF841.1；TL627文献标识码:A
年来随着中的发展，制约我
发展的一问题随之&其中最突的是能源问题叫的自然资源日益&
catch22的长发展，研1发能源为重要。核聚变能是被公认的最有前景的清洁能源，可以“永(日益增长的能源需求=2＞。为了能平利用核聚变能，许多科学了断的探索研1，制约核聚变发展的关键问题之一是面向等离子体材料(Plasma Facing Materials&PFM)的研1=3~。PFM作为直接面对等离子体的盔甲材料，要承受的表面负荷、强束流粒子与中子等时，中子核B变反应所产的大量的氢、氨对PFM的能产巨大影响凹。因此，核聚变堆面向等离子体材料需要具有耐低溅射、低氢(Q)滞留、低放射以及与材料兼容等优良能=8＞。W具有率、低溅射率以及不与氢反应或发共沉积等优&被认为是未来聚变堆PFM的首选想材料=9＞。但是V材料的低
变等问题限制了其在聚变堆中的应用=10＞。W金可有效规避纯W材料的性能缺陷，大量研1者开始致力于W基合金材料研1，主要有W—Re、W—Ta、W—V、W—Ti、W—Mo、W—Cr 等几W基二金，但是每金都还存在着若干能缺陷，以达到聚变堆面向等离子体材料的工作要求[11]o
金(HEAs)又称为多主元合金，由多种元素按等摩尔比或等摩尔比混，具有一传统金比拟的优能，强
iost
耐能优良等=12＞此之，有研1表金在 具有的
缺陷以等，是聚变堆面向等离子体材料的理想选择=13-1G＞V金具有更加优的能，更适用于核聚变堆苛刻的服役最的V金是由W素(Mo,Nb,Ta,V6，随后大到J (Ti,Sr,Hf)、V副族(V,Nb,Ta)和VI副族(Cr,Mo,W) 9素，有时还添加素Al Ni等叫
按V金体增加的
了V金的制
力学能以及 能最后前
收稿日期：2020-12-01
资助项目：重研发(2017YFB0306001)
均匀是什么意思
作者简介：1994—),，大，，要金的制应用研1作。
通讯作者：(1984—),，湖，，，中青年，主要能粉末冶金材料制备技术、理应用研1工作。
第6期李媛%等：核聚变堆面向等离子体含鸽高4合金材料研究现状与发展趋势67
含"高癇合金作为聚变堆面向等离子体材料存在的问题并对后续的研究方向进行了展望。
1四元含$高&合金材料
含"高癇合金首次被提到是在2010年，美国空军实验室的Senkov等㈣采用真空电弧熔炼的方法成功制备了具有单一固溶体结构的NbMoTaW四元等原子比高癇合金，研究发现该合金的显微硬度为4455±185MPa，高于任一纯元素材料。为了进一步探索NbMoTaW高$合金在高温条件下的,Senkov等［17］研究了NbMoTaW高$合金高温下的，结NbMoTaW高$合金在1400"的高温下具有高的，在辐照条件下，也具有高的；此外该合金体系在室温下的缩度为1058MPa, 1600"高温下的压缩度为405MPa；而且还具有很高的,DBTT于600"，聚变堆对PFM高温高温强度辐照下的
为了发高温高$合金材料,Yao等何采用CALPHAD模型设计了NbTaVW高$合金体系，真空电弧熔炼法成功制备了NbTaVW高$合金。实验的对比进一步验了NbTaVW高$合金的高温高度。Melnick等购提了一用组成元素的热
固溶体的方法，并采用该方法基于W、Ta、Mo、Nb、Zr和Hf难熔元素研究了的合金体系，研究具有等原子元素比的合金体系，Nb-Mo-Ta-W合金体系的元素结一致，最佳元素比组成为NbMoTaW1.9。Wang等㈣利用“C14+原子”结构了体方（BCC）等原子元素比的MoTaVW和MoNbVW高$合金的有构原子，并用对
在元体系原子的
于进行高$合金体系构的方法为用于聚变堆PFM的高$合金材料提了有了真空电弧熔炼制备法, Han等㈤首次采用电等离子烧结的方法制备了单一BCC固溶体相的四元MoNbTaW高$合金。
2五元含$高&合金材料
五元含"高$合金中除了难熔元素外，文
了Ti,Zr,Cr等元素。Senkov等［16_17］采用真空电弧熔炼法制备了NbMoTaVW五元等原子比高$合金，研究了的微结构在室温到1600"下的，结该合金体系的显微硬度
稳定性和力学性能均优于四元NbMoTaW高$合金，合用作聚堆的面向等离子体材料Han 等音列在NbMoTaW合金中加入Ti，采用电弧熔炼法制备了新型五元NbMoTaTiW高$合金，研究发现该合金具有较高的，即使在1200"下退火24h 也维持BCC结构；该合金在室温下的缩
强度为1455MPa，比NbMoTaW高46%，塑性应变高达11.5%，约为NbMoTaW合金的5倍；在1200"下的缩度仍大于550MPa，该合金的异
好，使在作为聚堆PFM的应用中具有深入的研究价值。Yao等阿采用真空电弧熔炼法制备了NbTaTiVW高$合金，研究该合金在室温下的缩度为1420MPa,
应为20%，实现了度的平衡。Jiang等㈣在W-Ni-Co体系高$合金中加入Mo、Cr和V元素，采用真空电弧熔炼法制备了3种不同摩尔比的W0s Ni2Co2VMo0.5、W0.5Ni2Co2VCr0.5和W0s Ni2Co2CrMo0.5含"高$合金，研究了3合金的微结构
研究：3高$合金均为FCC固溶体，维氏硬度依次为376.1HV、255.88H V和306.8HV，压缩屈服强度为1000MPa、750MPa和250MPa，在室温具有好的缩塑性变形能力，具有作为核聚PFM的应用潜
韩国先进科学研究所Kang等㈣采用粉末冶金和放电等离子结的技术制备了MoNbTaVW高$合金，研究发现该合金在室温下的超高
度为2612MPa，缩率为8.8%；与采用电弧熔炼法制备的高$合金比，具有的
Zhang等㈣采用激光熔覆技术制备了NbMoTiWZr高$合金涂层，主形成了BCC少量B-Ti^W-沉淀相；在800"、1000"和1200"退火20h后，结构BCC固溶体本保持不变，具有高的；显微硬度达到700HV0.5左右，退火后涂层显微硬度显著提高，在800"热处理后，高值可达1300HV0.5，具有高的显微硬度软化Wang等㈣采用高球磨法制备了MoNbTaTiV 高$合金粉末，研究该合金粉末经800-1200"退火处理后，具有好的Das等倒采用高球磨电弧熔炼结合的方法制备了一WMoVCrTa高$合金，该合金体系在室温下的缩强度和应别为的995MPa 6.2%，维氏硬度
中68
高达773±20HV0.5o随着高&合金制备方法的不断更新和改进，含$高&合金的各项性能均得到了一定程度的提高，使其能更好地适应核聚变堆PFM的苛刻服役环境。
为了研究不同元素的高&合金性能的影响，Zhang等旳在NbMoTaW合金中加入Re，制备了一熔Re^NbMoTaW高&合金，研究合金体U BCC)基体相未达到熔点前都保不变；
适当加入Re提高合金的强度和性，其中Re o."NbMoTaW合金具有最佳的力学性能，压缩屈服强度为1147MPa，塑性应变为7.0%。Tong G[30]一性原理和结合的方法，研究了熔合金元素Cr，Zr，V，Hf和Re对NbMoTaW高&合金强度和性的。研究合金都提高了NbMoTaW高&合金的强度，而只有Zr合金的
显著提高了其性，相一致。的研
第35卷究高&合金体不进一合金性能，研究能为核聚变堆PFM 的高&合金。
3多元复杂含&高(合金材料
和含$高&合金的研究都得了好的进，为了进一化含$高&合金的性能，更的含$高&合金研究，前含$高&合金的研究体制备方法和性能1o Guo等[31-32]CALPHAD和相结合的方法设计了六元MoNbTaTiVW和Cr^MoNbTaVW(%二0.5,1.0,2.0)高&合金。MoNbTaTiVW高&合金在铸态下的维氏显微硬度为5.0GP
a，Cr%MoNbTaVW(%= 0.5,1.0,2.0)高&合金的显微硬度随着%的不断增加，依次为6.4〜6.9GPa、6.7〜7.0GPa和7.0〜7.8GPa，显高于合金中最硬的成分W和之前研究的
表1含&高(合金的相组成、制备方法和力学性能
Tab.l Pha composition,preparation method and mechanical properties of high-entropy alloy containing tungsten
含$高&合金相制备方法
力学性能
压缩屈服强度/MPa显微硬度!p/%
NbMoTaW[16"17，19]BCC真空电弧熔炼1058(RT)/405(1600°C)4554±185MPa 2.0 NbMoVW[18,20]BCC真空电弧熔炼
MoTaVW[20]BCC----NbMoTaW㈤BCC无压放电等离子烧结---NbMoTaVW[16"17]BCC真空电弧熔炼1246(RT)/477(1600C)5250MPa-NbMoTaTiW[22-23]BCC真空电弧熔炼1455(RT)/〉550(1200C)-11.5 NbTaTiVW[18]BCC真空电弧熔炼1420(RT)-20 W°.5Ni2Co2VMo0.5国FCC真空电弧熔炼1000(RT)376.
1HV-W0.5Ni2Co2VCr。严FCC真空电弧熔炼750(RT)255.88HV-W os Ni z Co z CrMo o严FCC真空电弧熔炼250(RT) 3.6.8HV-NbMoTaVW田BCC放电等离子烧结2612(RT)-8.8
NbMoTiWZr[26]
BCC
"-Ti^W—激光熔覆技术-700HV0.5Q RT)
1300HV0.5(800C)
MoNbTaTiV[27]BCC机械合金化---WMoVCrTa[28]BCC机械合金化+真空电弧熔炼995(RT)773±20HV0.5 6.2 Re°.5NbMoTaW[29]BCC真空电弧熔炼1147±10(RT)567±97.01±0.3 NbMoTaWZr[30]BCC真空电弧熔炼1480(RT)-15.9 NbMoTaTiVW㈤BCC真空电弧熔炼-4954±198MPa-
Cr0.5NbMoTaVW[32]BCC真空电弧熔炼-675.5±27.5HV-CrNbMoTaVW[32]BCC真空电弧熔炼-704.6±17.4HV-
Cr2NbMoTaVW[32]BCC真空电弧熔炼-754.9±43.1HV-NbMoTaVWZr[33]BCC机械合金化+放电等离子
烧结3416(RT)9908MPa 5.3 HfNbTaTiZrW[34]BCC真空电弧熔炼345(1200C)--HfNbTaTiZrMoW[34]BCC真空电弧熔炼703(1200C)--WTaMoNbZrCrTi[35]BCC机械合金化---HfMoNbTaTiVWZr[37]BCC----注：RD-room temperature -室温
第6期李媛%等：核聚变堆面向等离子体含鸽高4合金材料研究现状与发展趋势69
MoNbTaTiVW高"合金。Long等佝采用MA和SPS 技术制备了NbMoTaWVCr高"合金，并进一步研6了NbMoTaWVCr合金的力学性能。结果表明,1500!烧结的NbMoTaWVCr合金在室温下的压缩屈服强度、塑性应变和维氏硬度分别为3416MPa、5.3%和9908MPa，远高于文中的其他高"合金，有用作核聚变堆PFM的潜力。
Wang等网在HfNbTaTiZr高"合金中加入了W 和Mo，用电弧熔炼法制备了HfNbTaTiZrW和HfNbTaTiZrMoW两种高"合金。研6发现，与HfNbTaTiZr相比，这两种高"合金在25〜1200!处的压缩屈服强度有了很大的提高；特别是在1200!高温下,HfNbTaTiZrW和HfNbTaTiZrMoW的压缩屈服强度分别为345MPa和703MPa，高于HfNbTaTiZr 的92MPa。而且在高温下的压缩试验中没有发相，具有良好的相性。Ditenberg&[35"361用高能法制备了WTaMoNbZrCrTi高"合金。GAO等何用的验参数和CALPHAD了有BCC 结构的一种八元HfMoNbTaTiVWZr高"合金，并通过实验验证了验的有性。随高"合金中元的，其性能了提，
其用作核聚变堆PFM的应用研6很。加强元高"合金在核聚变堆中的应用研究具有十分重要的现实意义。
4结语与展望
高"合金是一种新型高温合金，具有
的高温性、力学性能性能等，于熔金，是聚变堆等的一种，为在PFM研究中的一发。高"合金的发处于初
，分、制备技术、强，是服性能核很，处于。
高"合金的分和制备技术进进一步的
、，在服下的核研6，
入制备、强和服
研究，为核聚变堆PFM制备提供技术、数据和。
参考文献：
[1]刘东光，张力，郑亮，等.聚变堆结构材料表面阻氟涂层的
制备与展望[J]•金属功能材料，2020（3）：1-10.
LIU Dongguang，ZHANG Li，ZHENG Liang，et al.Preparation and prospect of tritium resistant coating on the surface of structural
materials for fusion reactor卩[.Metallic Functional Materials，2020
(3):1-10.
[2]丁孝禹，李浩，罗来马，等•国际热核试验堆第一壁材料的研
究进展[J]•机械工程材料,2013，37(11":6.
DING Xiaoyu,LI Hao,LUO Laima,et al.Progress in rearch of international thermonuclear experimental reactor first wall materials[J].Materials for Mechanical Engineering,2013,37(11)：6.
[3]王保国.等离子体材料部件表面起弧行为研究[D]•合肥：中
国科学技术大学,2020.
WANG Baoguo.Studies of arcing behavior on plasma facing material compents surface[D].Hefei：University of Science and Technology ofChina,2020.
[4]李文巧•核材料导论[M]，北京：化学工业出版社,2007：1-502.
[5]MEROLA M,ESCOURBIAC F,REN e RAFFRAY,et al.Overview
and status of ITER internal components卩].Fusion Engineering& Design,2014,89(7):890-895.
⑹ROTH J,TSITRONE E,LOARTE A,et al.Recent analysis of'ey
宾夕法尼亚州立大学
laydownplasma wall interactions issues for ITER[J].Journal of Nuclear Materials020090390(1):1-9.
[7]LINSMEIER CH,RIETH M,AKTAA J,et al.Development of
advanced high heat flux and plasma-facing materials[J].Nuclear Fusion02017057(9):092007.
[8]朱玲旭，燕青芝，郎少庭，等•镯基面向等离子体材料的研究进
展[J]•中国有色金属学报,2011,22(12):3522-3527.
ZHU Lingxu,YAN Qingzhi,LANG Shaoting,et al.Rearch process of tungsten-ba materials as plasma facing materials[J].The Chine Journal of Nonferrous Metals02011022(12):3522-3527.
[9]ZINKLE S J0BLANCHARD J P0CALLIS R W0et al.Fusion materials
science and technology rearch opportunities now and during the ITER era[J].Fusion Engineering and Design,2014,89(7/8)：1579-1585.
[10]BUDAEV V0MARTYNENKO Y0KARPOV A0et al.Tungsten
recrystallization and cracking under ITER-relevant heat loads[J].
Journal of Nuclear Materials020150463:23C-240.
[11]全，乔Q威•难熔高"合金的研究进展[J]•中国材料进展,
2019038(8):C6C-CC4.
LIU Zhangquan,QIAO Junwei.Rearch progress of refractory high-entropy alloys[J].Materials China02019038(8):C6C-CC4.
[12]LI X,TIAN F,SCHNECKER S，et al.Ab initio-predicted micro-
mechanical performance of refractory high-entropy alloys[J].美国大学专业排名
Scientific Reports0201505:12334.
[13]豆艳坤，靳柯，贺新福，等•高"合金的抗辐照性能研究进展
[J].原子能科学技术,2019,53(10):1868-1884.
DOU Yankun,JING Ke,HE Xinfu,et al.Rearch progress on Anti-irradiation property of high-entropy alloys[J].Atomic Energy Science and Technology02019053(10):1868-1884.
[14]SENKOV O0WILKS G0SCOTT J0et al.Mechanical properties of
Nb25Mo25Ta25W25and V20Nb2a Mo2a Ta20W20refractory high entropy alloys[J].Intermetallics02011019(5):698-706.
[15]勇•先进高"合金技术[M]，北京：化学工业出版社,2018：
12-15.
[16]SENKOV O0WILKS G0MIRACLE D0et al.Refractory high -
中70
entropy alloys[J].Intermetallics#2010#18：1758-1765.
一对一初中英语辅导
[17]SENKOV0,WILKS G,SCOTT J.Mechanical properties of
Nb25Mo25Ta25W25and V20Nb20Mo20Ta20W20refractory high entropy alloys [J].Intermetallics,2011,19(5)：698-706.
[18]YAO H,QIAO J,GAO M,et al.NbTaV-(Ti,W)refractory high-
entropy alloys:experiments and modeling[J].Materials Science and Engineering A,2016,674：203-211.
[19]MELNICK A,SOOLSHENKO V.Thermodynamic design of high-
entropy refractory alloys[J].Journal of Alloys and Compounds,
2017,694:223-227.
byebye歌词
[20]WANG W,WANG J,LIN D,et al.Revealing the microstates of
body-centered-cubic(BCC)equiatomic high entropy alloys[J].
Journal of Pha Equilibria and Diffusion,2017,38:404-415. [21]HAN J,SU B,LU J,et al.Preparation of MoNbTaW refractory high
entropy alloy powders by pressureless spark plasma sintering:Crystal structure and pha evolution[J].Intermetallics,2020,123：
106832.
[22]HAN乙CHEN N,ZHAO S,et aLEffect ofTi additions on mechanical
properties of NbMoTaW and VNbMoTaW refractory high entropy alloys[J].Intermetallics,2017,84:153-157.
[23]HAN Z,LUAN H,LIU X,et al.Microstructures and mechanical
properties of T ixNbMoTaW refractory high-entropy alloys[JJ.Materials Science and Engineering A,2018,712：380-385.
[24]JIANG H,JIANG L,LU Y,et al.Microstructure and mechanical
properties of the W-Ni-Co system refractory high-entropy alloys [J].Materials Science Forum,2015,816：324-329.
[25]KANG B,LEE J,RYU H,et al.Ultra-high strength WNbMoTaV
high-entropy alloys with fine grain structure fabricated by powder metallurgical process[J].Materials Science and Engineering A,
2018,712：616-624.
[26]ZHANG M,ZHOU X,YU X,et al.Synthesis and characterization of
refractory TiZrNbWMo high-entropy alloy coating by lar cladding [J].Surface and Coatings Technology,2017,311：321-329.
[27]WANG G,LIU Q,YANG J,et al.Synthesis and thermal stability of
a nanocrystalline MoNbTaTiV refractory high-entropy alloy via
mechanical alloying[J].International Journal of Refractory Metals
第35卷
and Hard Materials,2019,84：104988.
[28]DAS S,ROBI P.A novel refractory WMoVCrTa high-entropy alloy
posssing fine combination of compressive stress-strain and high hardness properties[J].Advanced Powder Technology,2020. [29]ZHANG J,HU Y,WEI Q,et al.Microstructure and mechanicalnanea
properties of Re^NbMoTaW high-entropy alloys with metal powder [J].Journal of Alloys and Compounds,2020,827：154301.
[30]TONG Y,BAI L,LIANG X,et al.Influence of alloying elements on
mechanical and electronic properties of NbMoTaWX(X=Cr,Zr,V, Hf and Re)refractory high entropy alloys[J].Intermetallics, 2020,126：106928.
[31]GAO M,GUO S,YANG S,et al.Senary refractory high entropy alloy
MoNbTaTiVW[J].Materials Science and Technology,2015,31
(10)：1207-1213.
[32]ZHANG B,GAO M C,ZHANG Y,et al.Senary refractory high-
entropy alloy CrxMoNbTaVW[J].Calphad,2015,51(10)：193-201.
[33]LONG Y,LIANG X,SU K,et al.A fine-grained NbMoTaWVCr
refractory high-entropy alloy with ultra-high strength：Microstructural evolution and mechanical properties[J].Journal of Alloys and Compounds,2079,780：607-677.
[34]WANG M,MA Z,XU乙et al.Microstructures and mechanical
properties of HfNbTaTiZrW and HfNbTaTiZrMoW refractory high-entropy alloys[J].Journal of Alloys and Compounds,2079,803：778-785.
[35]DITENBERG I,SMIRNOV I,GRINYAEV K,et al.Morphology,
structural-pha state and microhardness of a multicomponent non-equiatomic W-Ta-Mo-Nb-Zr-Cr-Ti
powders mixture depending on the duration of ball milling[J].Advanced Powder Technology,2020,31(10)：4401-4410.
[36]DITENBERG I,SMIRNOV I,OSIPOV D,et al.Influence of
mechanical activation duration on the microhardness of a multicomponent WTaMoNbZrCrTi System[J].Russian Physics Journal,2020,63：7-3.
[37]GAO M,CARNEY C,DOAN N,et al.Design of refractory high-
entropy alloys[J].JOM：The Journal of the Minerals,Metals and Materials Society,2015,67(11)：2653-2669.
