钨基高熵合金中氦等离子体诱导的纳米绒毛生长抑制与元素分布调控研究

本研究系统评估了钨基高熵合金（HEAs）作为聚变反应堆面向等离子体材料（PFMs）的抗辐照性能。通过氦（He）等离子体暴露实验（60 eV，1073 K）发现，WTaCrV和WTaCrVTi合金的纳米绒毛（fuzz）长度较纯钨减少约37%，氦气泡尺寸更小。STEM-EDS分析揭示绒毛结构主要由W/Ta元素主导，为高熵合金抗辐照机制设计提供了新见解。

　　

Highlight

钨基高熵合金（HEAs）在氦（He）等离子体暴露中展现出显著的纳米绒毛（fuzz）生长抑制能力。与纯钨相比，WTaCrV和WTaCrVTi合金的绒毛长度分别减少37.1%和34.3%，氦气泡平均尺寸更小。扫描透射电镜-能谱分析（STEM-EDS）显示，绒毛纳米结构主要由钨（W）和钽（Ta）元素主导，这种元素选择性富集现象为理解高熵合金抗辐照机制提供了直接证据。

Discussion

实验结果表明，钨基高熵合金对氦等离子体诱导的纳米绒毛生长具有显著抑制作用。与其他报道的钨基材料相比（图12），本研究的HEAs在相同暴露条件下表现出更优异的抗fuzz性能，预示着其作为面向等离子体材料（PFMs）的更长服役寿命。值得注意的是，绒毛结构内元素分布的不均匀性（W/Ta富集，Cr/V缺失）与氦气泡的优先形核行为直接相关。这种元素偏析现象可能通过以下机制影响fuzz生长：1）高原子级应力抑制缺陷迁移；2）晶格畸变延缓氦聚集；3）多元组分改变表面扩散动力学。

Conclusion

通过对比纯钨、WTaCrV和WTaCrVTi在低能（60 eV）高通量（5×10²² He m^?2 s^?1）氦等离子体暴露下的行为，本研究揭示：1）高熵合金能显著抑制纳米绒毛生长；2）增加钛（Ti）元素未进一步改善抗fuzz性能；3）绒毛区域存在明显的W/Ta元素富集特征。这些发现为未来聚变反应堆抗辐照材料设计提供了重要指导。