摘要
受控核聚变能是理想的清洁能源。核聚变装置中面向等离子体材料(PFMs)是制约聚变能开发的关键。钨、钼材料具有高熔点、低溅射产额、高热导率等优点，被认为是最有可能的面向等离子体候选材料。但是传统固相还原制备的粉体颗粒粗大、粒度分布范围广，导致粉末冶金形成的钨/钼材料的晶粒粗化严重，辐照过程中He泡/团簇等缺陷容易在晶界处聚集，使材料发生沿晶脆断。虽然氧化物等第二相的加入可以细化晶粒，增加界面面积，从而降低界面处氦密集程度，提高钨合金辐照抗性。但是，第二相颗粒往往容易在晶界处偏析，对合金辐照性能的提升有限。 本文采用热等离子合成技术快速、高效地制备了氧化物掺杂的纳米钨复合粉体，改善了粉体成分及尺寸分布均匀性;进而通过传统烧结方式制备了高致密、细晶的钨合金，同时氧化物弥散相在钨晶粒内均匀分布，有效提升了钨合金的抗辐照性能。此外，本文延伸了等离子快速合成方法在纳米钼粉制备方面的应用，为后续的高性能钼基材料的制备提供新的思路。主要研究结果如下: (1)采用偏钨酸铵和稀土硝酸盐为原料，在氢等离子中进行热解还原反应，分别得到了氧化钇和氧化铈均匀分布的纳米钨复合粉体。产物具备准球形形貌，同时成分和粒度分布均匀，平均粒径约为30nm。由于整个反应过程是在连续的流动状态下完成，比较容易实现规模化生产; (2)对得到的纳米复合纳米的烧结致密化过程进行了系统研究，结果表明等离子合成的纳米粉体展现出较高的烧结活性，能够在相对较低的温度下实现致密化过程，同时有效抑制晶粒生长。经1600℃烧结1h，W-1wt.％Y2O3合金的相对密度达到了98.26％，且平均晶粒尺寸仅为970nm，同时Y2O3颗粒原位析出并均匀分布于钨晶粒内部，粒径约为100nm。在相同条件下制备的W-1wt.％CeO2合金的平均晶粒尺寸约为3.68μm，致密度达到95％; (3)氦离子辐照测试表明，氧化钇弥散强化的钨合金展现出最优的抗辐照特性，明显高于氧化铈弥散强化钨合金、氧化钇在晶界处偏析的钨合金及纯钨样品。进一步分析表明，辐照性能提升的原因在于弥散分布的第二相纳米颗粒能够有效增加界面（相界和晶界）面积，从而抑制氦泡的产生及生长，减少钨材料表面开裂和晶间脆断的可能性。同时氧化钇弥散强化的钨合金晶粒更为细小、合金更为致密，因而辐照后表面损伤程度最小。
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