面向等離子體材料鎢合金力學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、可控核聚變能作為一種理想能源已經(jīng)引起世界廣泛的關(guān)注，然而核聚變反應(yīng)堆中復(fù)雜的工作環(huán)境對(duì)材料提出了嚴(yán)格的要求。它的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是面臨高溫等離子體的第一壁材料，即“面向等離子體材料”(Plasma Facing Materials，PFMs)。由于金屬鎢具有熔點(diǎn)高、高溫高機(jī)械強(qiáng)度、高自濺射閾值能量、高熱導(dǎo)系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、低氚滯留和高抗等離子體侵蝕能力等特點(diǎn)，被認(rèn)為是PFMs最有希望的材料之一。然而，純鎢金屬表現(xiàn)出較差的輻射穩(wěn)定性和斷裂韌

2、性，低的延展性與高韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)。特別是固有雜質(zhì)(C,N,O)及嬗變產(chǎn)物(H,He,D,T)進(jìn)入鎢金屬材料中，嚴(yán)重影響鎢金屬的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在鎢金屬中摻雜合金元素可降低韌脆性轉(zhuǎn)變溫度和提高再結(jié)晶溫度，以達(dá)到改善其性能的目的。因此，本文采用第一性原理方法研究了部分元素(Y，Ti，Ta)對(duì)鎢金屬力學(xué)特性的影響，討論了彈性常數(shù)、彈性模量、泊松比和柯西壓力等參數(shù)與材料性能之間的關(guān)系。同時(shí)研究了W-Ti二元合金對(duì)碳、氫雜質(zhì)介入的影

3、響，著重討論了碳、氫雜質(zhì)與鎢合金晶格之間的相互作用機(jī)理。通過對(duì)鎢合金材料的成分和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以便制備出性能優(yōu)越的新型鎢合金材料。
　　基于密度泛函理論第一性原理方法研究了部分W合金(摻雜Y、Ti和Ta)材料的力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)研究了W-Ti二元合金對(duì)C、H雜質(zhì)介入的影響。研究結(jié)果表明，在W晶格中分別摻雜元素Y、Ti和Ta均降低了W金屬材料的力學(xué)強(qiáng)度。然而，W合金材料的延展性均得到了明顯的改善。當(dāng)Y的含量為0.25時(shí)，可有效改善W-Y二元

4、合金的延展性和抵抗變形的能力。當(dāng)Ti的含量低于0.25時(shí)，W-Ti二元合金具有熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在W-Ti結(jié)構(gòu)中，W0.8125Ti0.1875二元合金具有最低的形成能。雖然W-Ti二元合金的力學(xué)強(qiáng)度低于純鎢金屬，但它比純鈦金屬高很多。另一方面，W-Ti二元合金的延展性均高于純W金屬，甚至高于純Ti金屬，表明Ti合金化可以大幅度提高金屬W的延展性。在W-Ta結(jié)構(gòu)中，W-Ta二元合金是一種無限固溶體，W0.5Ta0.5二元合金具有最低的形成

5、能。雖然W-Ta二元合金的力學(xué)強(qiáng)度低于純鎢金屬，但它比純 Ta金屬高很多。另一方面，W-Ta二元合金的延展性均高于純W金屬，甚至高于純Ta金屬，表明Ta合金化也可以大幅度提高W金屬的延展性。在W-Ti晶格，單一C原子最容易占據(jù)最近鄰Ti原子的八面體間隙位置( OIS)，最小溶解能約為0.874 eV。單一H原子最容易占據(jù)最近鄰Ti原子的四面體間隙位置(TIS)，最小溶解能約為-0.606 eV。W-Ti二元合金對(duì)C、H雜質(zhì)的遷移行為影響

6、較小。然而，C雜質(zhì)遷移的能量勢壘相當(dāng)高，最高的能量勢壘高達(dá)1.600 eV。H雜質(zhì)遷移的能量勢壘約為0.186eV~0.206 eV?；趶椥猿?shù)分析，W-Ti二元合金可能補(bǔ)償由C、H雜質(zhì)引起的W金屬力學(xué)強(qiáng)度的衰退。同時(shí)發(fā)現(xiàn)C、H雜質(zhì)對(duì)純鎢金屬和W-Ti二元合金的延展性均有改善，但對(duì)純鎢金屬的延展性改善更為明顯。此外，在純W金屬結(jié)構(gòu)中，替代C原子相比間隙C原子更能提高純W金屬的延展性。這些計(jì)算結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化W合金的成分起一個(gè)導(dǎo)向作用，