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碳化物弥散钨合金的界面与杂质偏聚性质的理论研究

张旭  
【摘要】:钨及其合金是未来聚变堆最有前景的面向等离子体材料。由于纯钨自身存在低温脆性、辐照脆性等缺点,因此,近年来实验上通过添加第二相碳化物颗粒形成的弥散强化钨合金成为人们关注的热点。其中,钨合金中碳化物与基体的界面在提高其力学与抗辐照损伤等综合性能中起着关键作用。此外,在实验制备或服役过程中引入的杂质(O、N、H、He等)易在界面处聚集,从而导致材料综合性能的降低。因此,本论文基于第一性原理方法,研究了碳化物弥散强化钨中的典型界面(如W-ZrC、W-TiC、W-TaC、W-ZrO2等)的稳定性、结合强度、电子结构以及杂质的偏聚与扩散行为,为理解碳化物弥散强化钨材料的界面性质以及杂质偏聚行为以及进一步提升钨基材料的综合性能提供了科学依据。首先,根据W和ZrC的晶格常数和取向关系,构建并研究了 12种不同的类块体W-ZrC界面的稳定性和综合性能。研究发现:以C为终端的ZrC(111)/W(110)界面的结合强度最强,而ZrC(200)C/W(100)共格界面的界面能最小,界面最稳定。电子结构显示界面处的W原子转移电荷给C原子;界面处C-W键主要是C-2p和W-5d杂化形成的共价键。杂质H和He原子在界面中的偏聚能分别为-1.00eV和-2.03eV,易在界面处偏聚。动力学研究结果表明H和He沿平行界面方向的扩散能垒远小于沿垂直于界面方向的扩散能垒,这表明H和He容易在界面偏析并优先沿着平行界面方向扩散。其次,系统研究了共格和半共格的W-TMC(TM=Mo,Ta,Ti,Zr,Hf,V)界面及掺杂轻元素(H,He,Li,Be,B,C,N,O,S,P)后的界面性质。除去应变能后,TMC(100)/W(100)共格界面的界面能比半共格界面TMC(100)/W(110)的界面能要低,共格界面更稳定。还发现共格界面MoC(100)/W(100)的界面能(-0.44eV)为负值,表明界面W、C和Mo原子发生了相互扩散。当共格ZrC(100)/W(100)和TiC(100)/W(100)界面掺有不同的杂质时,杂质原子易在界面处偏聚,且降低界面的结合强度。该研究结果可帮助理解界面提升材料力学与抗辐照性能机理,同时为进一步通过界面调控来改善材料的服役性能提供理论指导。最后,系统研究了ZrO2(001)/W(001)界面的性质。5个界面模型中,三明治W(001)/ZrO2(001)1ML/W(001)界面的界面能最低,界面最稳定。界面处O-2p和W-5d杂化形成强的O-W共价键。ZrO2(001)Zr/W(001)界面的分离功(2.36eV)最大。界面拉伸模拟结果显示断裂面不一定位于界面,而O-O键优先断裂。其中,ZrO2(001)Zr/W(001)界面的断裂能(13.74 J/m2)和最大拉伸应力(7.20 GPa)最大,而三明治W(001)/ZrO2(001)2MI/W(001)界面的最小。该研究结果有助于理解O在界面偏析时,ZrO2弥散颗粒对界面结合强度的影响。


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