高稳定性纳米复合多层膜钨基块材的制备和抗辐照性能研究

High stability nano-structured materials was believed to be one of the most superior anti-irradiation materials because the interfaces act as effective sinks for the point defects produced by irradiation. This project will explore the technique of accumulative rolling bonding - ARB to synthesize nano-structured W/Cu and W/Cr multilayered bulk materials for fusion application. The immiscibility of W with Cu and Cr will be used to increase the stability of W based nano-structured materials. The mechanical properties and the concentration of irradiation induced defects as a function of irradiation dose and the thickness of monolayer will be explored. Combining with the computer simulation, the role that the interfaces with different micro-structures played for the improvement of mechanical properties and irradiation resistance in the multilayered nanocomposites will be clarified. This project will provide the ARB technique for the fabrication of high performance W/Cu and W/Cr multilayered bulk materials, and figure out the physical concept of the irradiation damage in the nano-structured multilayers. These studies will help to improve the properties of this kind of tungsten based materials for the future thermal nuclear reactors.

高稳定性的纳米结构材料因为其丰富的界面可以吸收和湮灭辐照点缺陷，被认为是一种优异的抗辐照材料。本项目针对如何利用界面设计来提高钨基合金材料的抗辐照性能的问题，利用铜或铬与钨互不相溶的特性以及先进的累积轧制粘合（ARB）技术，来制备高稳定性的钨/铜或钨/铬纳米复合多层膜块体材料；采用高能离子辐照、微结构分析、力学性能测量等方法，研究多层膜材料的力学性能、辐照缺陷浓度等随辐照剂量和单层膜厚度的变化规律；结合计算机模拟研究，分析纳米复合多层膜中不同结构的膜间界面对材料力学性能和抗辐照性能的优化机理。项目预期将提供高性能钨/铜或钨/铬纳米复合多层膜块体材料的ARB制备技术，建立纳米复合多层膜材料辐照损伤的物理图像。项目的研究成果对于新型纳米复合多层膜块体金属材料的研发具有重要意义，可以为新型钨基合金材料的性能优化和最终应用于热核聚变反应堆提供科学依据。

纳米多层膜复合材料具有高力学性能、高热稳定性和优异的抗辐照性能。但是常规的物理或化学沉积方法无法制备块状样品。为此，本项目采用正交累积叠轧焊（CARB）技术, 发展了一条“自上而下”的纳米多层膜块材制备路径。与常规累积叠轧焊（ARB）工艺相比，CARB工艺过程中轧制应变在样品的轧制方向和横截面方向上实现了平均分配，有效解决制备过程中材料外部边裂及内部层状结构失稳。采用CARB工艺首次制备了层厚尺寸分布于微米至纳米尺度范围内的Cu/V和Cu/Ta纳米多层膜块材，其中，Cu/V和Cu/Ta纳米多层膜块材的最小单层厚度分别实现了25 nm和 50 nm，内部层状结构连续、完整，层厚均匀，界面清晰、平直。最小层厚尺寸的CARB Cu/Ta(V)块材的强度（硬度）达到了原始材料的4~5倍。CARB Cu/Ta(V) 纳米多层膜块材的强化行为符合表观Hall-Petch关系，说明其强化机制主要是界面强化。CARB Cu/Ta(V)纳米多层膜块材能够在500℃退火1 h后维持硬度不变，表现出了优异的热稳定性。当退火温度超过材料临界温度后，CARB Cu/Ta(V) 纳米多层膜块材的宏观力学性能和微观纳米层状结构出现明显的失稳现象，对应的主导微观失稳机制为瑞利不稳定机制和晶界缺口机制。当辐照剂量为2x1021 ions/m2时, CARB Cu/V纳米多层膜块材的力学性能和微观结构能够保持稳定，表现出较好的抗辐照性能；而当辐照剂量提高至7x1022 ions/m2时，一方面，样品出现明显的辐照硬化现象；另一方面，辐照不仅导致样品表面出现了明显的表面起泡现象，而且在样品内部形成了高密度的He泡和较大尺寸的长条形He空洞。