李 媛，韓 勇，范景蓮

（中南大學粉末冶金研究院，湖南長沙）

近年來隨著中國經濟持續(xù)快速的發(fā)展，制約我國經濟發(fā)展的一些瓶頸問題也隨之顯現，其中最突出的就是能源問題[1]。而我國的自然資源日益枯竭，無法滿足人類社會的長遠發(fā)展，研究開發(fā)新能源就顯得尤為重要。核聚變能是被公認的最有前景的清潔能源，可以“永遠”滿足人類日益增長的能源需求[2]。為了能和平利用核聚變能，許多科學家進行了不斷的探索和研究，制約核聚變發(fā)展的關鍵問題之一是面向等離子體材料（Plasma Facing Materials，PFM）的研究[3-5]。PFM作為直接面對高溫等離子體的盔甲材料，要承受高溫、極高的表面熱負荷、強束流粒子與中子輻照等。同時，中子核嬗變反應所產生的大量的氫、氦對PFM的性能也會產生巨大影響[6-7]。因此，核聚變堆面向等離子體材料需要具有耐高溫、低濺射、低氫（氚）滯留、低放射性以及與結構材料兼容等優(yōu)良性能[8]。W具有高熔點、高導熱率、低濺射率以及不與氫反應或發(fā)生共沉積等優(yōu)點，被認為是未來聚變堆PFM的首選理想材料[9]。但是鎢材料的低溫脆性、韌脆轉變溫度高和輻照脆化等問題限制了其在聚變堆中的應用[10]。W合金化可有效規(guī)避純W材料的性能缺陷，大量研究者開始致力于W基合金材料研究，主要有 W-Re、W-Ta、W-V、W-Ti、W-Mo、W-Cr等幾種W基二元合金，但是每種合金都還存在著若干性能缺陷，難以達到聚變堆面向等離子體材料的工作要求[11]。

高熵合金（HEAs）又稱為多主元合金，由多種元素按照等摩爾比或近等摩爾比混合而成，具有一些傳統(tǒng)合金無法比擬的優(yōu)異性能，如高強度、高硬度、高耐磨性能和優(yōu)良高溫穩(wěn)定性等[12]。除此之外，有研究表明高熵合金在輻照環(huán)境下也具有高的相穩(wěn)定性、缺陷難以積累等抗輻照特性，是聚變堆面向等離子體材料的理想選擇[13-15]。而含鎢高熵合金具有更加優(yōu)異的高溫綜合性能，更適用于核聚變堆苛刻的服役環(huán)境。最初的含鎢高熵合金是由W和難熔元素（Mo，Nb，Ta，V）組成，隨后組成成分擴大到 IV 副族（Ti，Zr，Hf）、V 副族（V，Nb，Ta）和 VI副族（Cr，Mo，W）這9種元素，有時還添加非難熔元素Al和Ni等[11]。本文按照含鎢高熵合金體系主元數依次增加的順序相繼介紹了含鎢高熵合金的制備方法、微觀組織、常溫和高溫力學性能以及抗輻照性能；最后總結目前含鎢高熵合金作為聚變堆面向等離子體材料存在的問題并對后續(xù)的研究方向進行了展望。

1 四元含鎢高熵合金材料

含鎢高熵合金首次被提到是在2010年，美國空軍實驗室的Senkov等[16]采用真空電弧熔煉的方法成功制備了具有單一固溶體結構的NbMoTaW四元等原子比高熵合金，研究發(fā)現該合金的顯微硬度為4 455±185 MPa，高于任一純元素材料。為了進一步探索NbMoTaW高熵合金在高溫條件下的優(yōu)良性能，Senkov等[17]又研究了NbMoTaW高熵合金高溫下的相穩(wěn)定性和力學性能，結果表明NbMoTaW高熵合金在1 400℃的高溫下具有很高的相穩(wěn)定性，而且在輻照條件下，也具有很高的相穩(wěn)定性；此外該合金體系在室溫下的壓縮屈服強度為1 058 MPa，1 600℃高溫下的壓縮屈服強度為405 MPa；而且還具有很高的塑性，DBTT低于600℃，均滿足核聚變堆中對PFM高溫相穩(wěn)定性、高溫強度和輻照下相穩(wěn)定性的要求。

為了設計和開發(fā)出更多新型耐高溫高熵合金材料，Yao等[18]采用CALPHAD模型設計了NbTaVW高熵合金體系，并通過真空電弧熔煉法成功制備了NbTaVW高熵合金。通過實驗與建模的對比分析進一步驗證了NbTaVW高熵合金的高溫穩(wěn)定性和高強度性能。Melnick等[19]提出了一種用組成元素的熱力學、力學和拓撲參數設計穩(wěn)定多組分固溶體的方法，并采用該方法基于 W、Ta、Mo、Nb、Zr和 Hf難熔元素研究設計了不同的合金體系，研究表明具有非等原子元素比的合金體系抵抗性更強，其中Nb-Mo-Ta-W合金體系的元素分布與預測結果相一致，最佳元素比組成為NbMoTaW1.9。Wang等[20]利用“C14團簇+連接原子”結構模型了揭示體心立方（BCC）等原子元素比的MoTaVW和MoNbVW高熵合金的有序和無序構型局域原子排列，并用偏對關聯(lián)函數來表征在多元體系中不同原子的排列規(guī)律。這些基于理論參數進行高熵合金體系模型構建的方法為設計出更適用于核聚變堆PFM的高熵合金材料提供了強有力理論指導。除了真空電弧熔煉制備法，Han等[21]首次采用無壓放電等離子燒結的方法制備了單一BCC固溶體相的四元MoNbTaW高熵合金。

2 五元含鎢高熵合金材料

五元含鎢高熵合金中除了難熔元素外，還加入了 Ti，Zr，Cr等元素。Senkov 等[16-17]采用真空電弧熔煉法制備了NbMoTaVW五元等原子比高熵合金，研究了它的相穩(wěn)定性、微觀結構和在室溫到1 600℃下的力學性能，結果表明該合金體系的顯微硬度、相穩(wěn)定性和力學性能均優(yōu)于四元NbMoTaW高熵合金，更適合用作核聚變堆的面向等離子體材料。Han等[22-23]在NbMoTaW合金中加入Ti，采用電弧熔煉法制備了新型五元NbMoTaTiW高熵合金，研究發(fā)現該合金具有較高的熱穩(wěn)定性，即使在1200℃下退火24h也能維持BCC相結構；該合金在室溫下的壓縮屈服強度為1 455 MPa，比NbMoTaW高46%，塑性應變高達11.5%，約為NbMoTaW合金的5倍；在1 200℃下的壓縮屈服強度仍大于550 MPa，該合金的優(yōu)異力學性能和良好熱穩(wěn)定性，使其在作為核聚變堆PFM的應用中具有深入的研究價值。Yao等[18]采用真空電弧熔煉法制備了NbTaTiVW高熵合金，研究表明該合金在室溫下的壓縮屈服強度為1 420 MPa，塑性應變?yōu)?0%，實現了強度與塑性的平衡。Jiang等[24]在W-Ni-Co體系高熵合金中加入Mo、Cr和V元素，采用真空電弧熔煉法制備了3種不同摩爾比的W0.5Ni2Co2VMo0.5、W0.5Ni2Co2VCr0.5和 W0.5Ni2Co2CrMo0.5含鎢高熵合金，研究了3種合金的微觀結構和力學性能。研究表明：3種高熵合金均為FCC固溶體，維氏硬度依次為 376.1HV、255.88HV和 306.8HV，壓縮屈服強度為1 000 MPa、750 MPa和 250 MPa，在室溫具有良好的壓縮塑性變形能力，均具有作為核聚變PFM的應用潛力。

韓國先進科學研究所Kang等[25]采用粉末冶金和放電等離子燒結的技術制備了MoNbTaVW高熵合金，研究發(fā)現該合金在室溫下的超高抗壓屈服強度為2 612 MPa，壓縮率為8.8%；與采用電弧熔煉法制備的高熵合金相比，具有更佳的抗壓屈服能力。Zhang等[26]采用激光熔覆技術制備了NbMoTiWZr高熵合金涂層，主要形成了BCC相和少量β-TixW1-x沉淀相；在800℃、1 000℃和1 200℃退火20 h后，其結構和BCC固溶體相基本保持不變，具有很高的相穩(wěn)定性；而且顯微硬度達到700 HV0.5左右，退火后涂層顯微硬度顯著提高，在800℃熱處理后，最高值可達1 300 HV0.5，具有較高的顯微硬度和抗軟化性能。Wang等[27]采用高能球磨法制備了MoNbTaTiV高熵合金粉末，研究表明該合金粉末經800～1 200℃退火處理后，具有良好的熱穩(wěn)定性。Das等[28]采用高能球磨和電弧熔煉相結合的方法制備了一種新型WMoVCrTa高熵合金，該合金體系在室溫下的壓縮強度和應變分別為的995 MPa和6.2%，維氏硬度高達773±20HV0.5。隨著高熵合金制備方法的不斷更新和改進，含鎢高熵合金的各項性能均得到了一定程度的提高，使其能更好地適應核聚變堆PFM的苛刻服役環(huán)境。

為了研究不同元素的添加對高熵合金性能的影響，Zhang等[29]在NbMoTaW合金中加入Re，制備了一系列難熔RexNbMoTaW高熵合金，研究發(fā)現該合金體系（BCC）基體相在未達到熔點前都保持不變；而且適當加入Re可以提高合金的強度和延性，其中Re0.5NbMoTaW合金具有最佳的力學性能，壓縮屈服強度為1 147 MPa，塑性應變?yōu)?.0%。Tong等[30]通過第一性原理和試驗結合的方法，研究了難熔合金元素 Cr，Zr，V，Hf和 Re 對 NbMoTaW 高熵合金強度和延性的影響。研究表明：這些合金元素都提高了NbMoTaW高熵合金的強度，而只有Zr合金的加入顯著提高了其塑性，與理論預測相一致。在后續(xù)的研究中可以通過在高熵合金體系中添加不同元素來進一步改善合金性能，研究出能夠作為核聚變堆PFM的高熵合金。

3 多元復雜含鎢高熵合金材料

四元和五元含鎢高熵合金材料的研究都取得了較好的進展，為了進一步優(yōu)化含鎢高熵合金的性能，更加多元的含鎢高熵合金被研究出來，當前國內含鎢高熵合金的研究體系、制備方法和性能歸納于表1。Guo等[31-32]采用CALPHAD模擬和試驗相結合的方法設計了六元MoNbTaTiVW和CrxMoNbTaVW（x=0.5，1.0，2.0）高熵合金。MoNbTaTiVW 高熵合金在鑄態(tài)下的維氏顯微硬度為5.0 GPa，CrxMoNbTaVW（x=0.5，1.0，2.0）高熵合金的顯微硬度隨著x的不斷增加，依次為 6.4～6.9 GPa、6.7～7.0 GPa 和 7.0～7.8 GPa，顯著高于合金中最硬的成分W和之前研究的MoNbTaTiVW高熵合金。Long等[33]采用MA和SPS技術制備了NbMoTaWVCr高熵合金，并進一步研究了NbMoTaWVCr合金的力學性能。結果表明，1500℃燒結的NbMoTaWVCr合金在室溫下的壓縮屈服強度、塑性應變和維氏硬度分別為3 416 MPa、5.3%和9 908 MPa，遠高于文中的其他高熵合金，有用作核聚變堆PFM的潛力。

表1 含鎢高熵合金的相組成、制備方法和力學性能Tab.1 Phase composition,preparation method and mechanical properties of high-entropy alloy containing tungsten

Wang等[34]在HfNbTaTiZr高熵合金中加入了W和Mo，用電弧熔煉法制備了 HfNbTaTiZrW和HfNbTaTiZrMoW兩種高熵合金。研究發(fā)現，與HfNbTaTiZr相比，這兩種高熵合金在25～1 200℃處的壓縮屈服強度有了很大的提高；特別是在1200℃高溫下，HfNbTaTiZrW和HfNbTaTiZrMoW的壓縮屈服強度分別為345 MPa和703 MPa，高于HfNbTaTiZr的92 MPa。而且在高溫下的壓縮試驗中沒有發(fā)生相變，具有良好的相穩(wěn)定性。Ditenberg等[35-36]采用高能球磨法制備了WTaMoNbZrCrTi高熵合金。GAO等[37]用選定的經驗參數和CALPHAD設計了具有BCC結構的一種八元HfMoNbTaTiVWZr高熵合金，并通過實驗驗證了經驗參數的有效性。隨著含鎢高熵合金體系中組元數的增多，其性能都得到了提升，但對其用作核聚變堆PFM的應用研究還很缺乏。所以加強對多組元含鎢高熵合金在核聚變堆中的應用研究具有十分重要的現實意義。

4 結語與展望

含鎢高熵合金是一種新型高溫合金，具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、力學性能以及抗輻照性能等，優(yōu)于傳統(tǒng)難熔金屬鎢，是聚變堆面向等離子體材料的一種重要選擇，將成為未來人們在PFM研究領域中的一個重要發(fā)展方向。但含鎢高熵合金的發(fā)展尚處于初期階段，無論材質成分、制備技術、強化理論，還是服役性能考核都很不完善，甚至尚處于空白。未來需對含鎢高熵合金的材質成分和制備技術進行進一步的設計、優(yōu)化，開展材料在服役環(huán)境下的考核研究，同時深入開展材料制備理論、強韌化理論和服役損傷理論研究，為核聚變堆PFM制備提供技術、數據和理論支撐。