磁約束聚變裝置中，面向等離子體的第一壁鎢基材料直接包圍高溫等離子體，通常面臨5-20 MW/m2的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷及約1GW/m2瞬態(tài)熱沖擊。高溫、高熱負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致材料再結(jié)晶、開裂甚至表面熔化，材料性能顯著下降。因此，第一壁材料在服役前，需要對(duì)其熱沖擊性能進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)估。基于面向聚變堆第一壁鎢基材料研發(fā)和性能考核的迫切需求，固體所核材料研究團(tuán)隊(duì)近年來成功搭建了30 kW高熱負(fù)荷研究平臺(tái)EBMP-30（圖1），其最大輸出電壓達(dá)100 kV，最大輸出功率到30 kW，電子束掃描面積達(dá)30×30 mm2，掃描頻率達(dá)35 kHz，具有高效、熱加載均勻等優(yōu)點(diǎn)，適用于第一壁鎢材料和部件抗熱負(fù)荷性能的測試評(píng)價(jià)。
研究團(tuán)隊(duì)基于EBMP-30電子束熱負(fù)荷平臺(tái)，以兩種代表性的彌散強(qiáng)化鎢材料W-0.5wt% ZrC（WZC）和W-1.0wt% Y2O3（WYO）為研究對(duì)象，在10-30 MW/m2熱負(fù)荷功率密度（APD）范圍內(nèi)，研究了多次熱負(fù)荷沖擊下材料的損傷行為。當(dāng)APD ≤ 20 MW/m2時(shí)，WZC和WYO試樣的微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能（圖2）相比初始樣品均無明顯變化。但當(dāng)APD ≥ 22 MW/m2時(shí)，WYO試樣發(fā)生再結(jié)晶和明顯的晶粒長大，同時(shí)觀察到Y2O3顆粒從W基體脫落，WYO的極限抗拉強(qiáng)度（UTS）從861 MPa下降到510 MPa，總延伸率（TE）從15%下降到接近零（圖2b）。結(jié)果顯示，由于Y2O3顆粒與W基體之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，熱加載過程中粗大的Y2O3顆粒受熱膨脹會(huì)擠壓W基體，使W基體發(fā)生不可逆的塑性變形，冷卻后Y2O3顆粒收縮導(dǎo)致Y2O3顆粒與W基體之間形成微裂紋，最終在多次熱疲勞作用下粗大的Y2O3顆粒從鎢基體脫落，形成孔洞和宏觀裂紋（圖3）。而WZC由于高的再結(jié)晶溫度（RCT）（~1300 oC），在22 MW/m2的熱加載后，僅發(fā)生部分再結(jié)晶，仍保持816 MPa高的UTS值（圖2a）。此外，由于WZC合金中ZrC的熱膨脹系數(shù)與W基體相當(dāng)，且ZrC顆粒尺寸細(xì)小、分布均勻，有效避免了ZrC顆粒脫落和微裂紋的形成。
該研究揭示了彌散強(qiáng)化鎢材料微結(jié)構(gòu)損傷與力學(xué)性能退化之間的關(guān)聯(lián)性，以及高熱負(fù)荷疲勞損傷的微觀機(jī)理，為后續(xù)進(jìn)一步發(fā)展高性能鎢基材料提供了重要參考。博士生王慧為該論文的第一作者，謝卓明副研究員和吳學(xué)邦研究員為該論文的共同通訊作者。
上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金和合肥研究院院長基金融合專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
