近期，中科院固体物理研究所刘长松研究员课题组在钨基合金中替代合金元素、合金元素混合自间隙原子与氦相互作用方面取得重要进展。相关工作发表在聚变领域著名期刊Nuclear Fusion (Nucl. Fusion 59, 026002 (2019))上。

钨因具有高熔点、高热导和低溅射率等优点被视为是聚变堆中面向等离子体材料最有前景的候选材料。在聚变反应堆环境中，中子和氦等离子体的辐照将在钨中产生大量的自间隙原子和空位，它们不可避免地与合金溶质原子相互作用，形成混合自间隙或替代溶质原子。溶质原子与氦原子的相互作用将影响两者的行为，最终导致溶质沉淀和He气泡的形成，并最终影响材料性能，但其微观机理尚不清楚。

为此，课题组研究人员基于密度泛函理论方法研究了钨中溶质原子（3d、4d和5d过渡金属原子）与自间隙原子形成的混合自间隙原子及替代位合金原子与间隙和替代位氦原子相互作用。研究发现，绝大多数合金原子的添加容易与最稳定的<111>自间隙原子结合形成<111>混合自间隙，或导致<111>发生转动形成<110>混合自间隙。混合自间隙原子与材料中的间隙氦原子的结合能均大于1.0 eV，可成为间隙氦原子的捕获点。当合金原子替代格点钨原子时，替代合金原子（除Ti, V, Nb, Ta, Cr外）也可成为间隙或替代氦原子的捕获点。其中，5d过渡金属替代溶质原子与替代氦原子结合最强，4d其次，3d最弱，如图所示，其结合能与替代后导致的晶格体积变化存在正相关。因此，无论钨中合金原子以何种形式存在对氦原子总是具有吸引作用，都可导致氦原子的聚集，最终形成氦泡。该研究结果对正确选择合金元素来尽可能减少材料中的氦泡形成，从而改善钨合金力学性能和提高材料抗辐照性能具有重要意义。

该工作得到科技部重点研发计划项目和国家自然科学基金等项目支持。

文章链接:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/aaf297

         图. 替代合金原子和最近邻替代氦原子的结合能与替代引起的晶格体积变化的关系。