近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所內耗與固體缺陷研究室研究員劉長松課題組與等離子體物理研究所、北京航空航天大學及中科院近代物理研究所合作，在鎢晶界合金元素強化界面作用機理方面取得了新進展，相關研究成果發表在Acta Materialia (2016,120,315-326)上。
金屬鎢具有高熔點、低濺射、氫滯留極低等特性，是一種最具潛力的面向等離子體第一壁材料。然而，純鎢具有明顯的室溫脆性和輻照脆性等缺點。因此，改善鎢基材料的力學性能和抗輻照性能是聚變材料研究的關鍵科學問題之一。微合金化和晶界優化設計是提高材料力學性能的重要途徑，通過添加一些有益的合金元素來強化界面，可有效提高材料的強度與韌性。然而，目前合金元素強化鎢晶界的作用規律與機制尚未清楚。例如，哪些元素易強化/脆化晶界？合金元素強化晶界能力與晶界的結構與類型是否存在關系？因此，人們需要全面認識合金元素強化鎢晶界能力與合金元素自身以及晶界結構之間的關系，進而為鎢基材料合金元素的優化選擇以及晶界結構的調控提供理論指導。
科研人員基于第一性原理研究了19種過渡族合金元素（3d：Ti-Ni; 4d: Zr-Pd; 5d: Hf-Pt）在一系列典型鎢晶界中的偏聚和強化/脆化效應。通過能量學方法（偏聚能和強化能）和動力學拉伸模擬（拉伸強度）來定量描述元素偏聚引起的晶界結合強度的變化，獲得強化能與晶界結構以及與合金元素自身性質（金屬半徑/最外層價電子數）之間的關系。研究結果表明合金元素強化/脆化晶界能力與晶界結構密切相關。合金元素易強化晶界能較大的晶界，而易脆化晶界能較小的晶界。此外，合金元素強化晶界能力與元素自身的金屬半徑成正相關（如圖所示）。研究結果表明，尺寸效應在其偏聚強化界面過程中起主導作用，即金屬半徑比鎢小的合金元素，易在晶界面處偏聚并能強化界面。該研究為高性能鎢基材料合金元素的優化選擇以及晶界的優化設計提供了理論指導：在晶界處添加Zr、Hf、Ta、Re及Ru等元素可有效提高晶界的結合強度，從而改善材料的力學性能。
上述研究工作得到了國家磁約束核聚變能發展研究專項、國家自然科學基金和中科院青年創新促進會等項目的資助。
