摘要：
钨因具有低氢滞留以及高熔点和低物理溅射率等优点被认为是最有前景的候选面向等离子体材料.为改善钨的力学性质常需添加一些合金元素(Re,Ta,Ti和V),同时在服役过程中中子诱导的嬗变反应也会在材料内引入大量的嬗变元素Re,Os等,这些溶质会显著影响材料的氢滞留性质.为此,采用第一性原理方法系统研究了钨中过渡金属溶质与氢、点缺陷间的相互作用,初步建立了过渡金属原子与氢、点缺陷相互作用数据库,主要包括多种缺陷簇的稳态亚稳态缺陷构型及其能量学基本参数(形成能、结合能、作用半径等)和动力学基本参数(扩散机制、扩散激活能以及扩散系数等),为下一步更高时间和空间尺度计算(如蒙特卡洛、速率理论等)模拟提供了输入参数.同时,利用相关热力学模型,评估了Re,Os,Ta,Ti,V等合金元素对氢溶解和扩散行为以及辐照缺陷演化行为的影响,发现他们可以作为氢的捕获点,阻碍氢扩散,提高钨中氢滞留量.辐照时,合金元素会促进辐照缺陷复合、降低辐照缺陷密度,进而降低钨中氢滞留量.该结果定性解释了近期钨合金氢滞留相关实验现象,即当辐照损伤程度较高时,合金元素降低钨中氢滞留量,而当辐照损伤程度较低时,合金元素提高钨中氢滞留量.结合力学实验和嬗变效应相关实验结果,从氢滞留角度认为Re,Os,Ta,Ti,V等元素,Re更适合作为钨的合金元素,同时在W-Re合金中可引入一定的Ta以调节Re浓度,这为高性能钨合金的设计提供了新思路.此外,对合金元素与氢、点缺陷相互作用进行了唯象讨论,发现:具有较大电负性的溶质原子倾向于空位结合,具有较小金属半径的溶质原子倾向于自间隙结合.该规律在铝基和镁基合金中依然适用;具有较大原子半径和较大电负性的溶质原子与氢相互作用主要受化学相互作用控制,其结合能与电负性负相关,而具有较小原子半径和较大电负性的溶质原子与氢相互作用主要受弹性相互作用控制,其结合能与原子半径负相关.
