铌(Nb)基合金是一种广泛用于制备加速器及未来聚变堆的超导体材料。由于以超导带材为形式制作的磁体线圈需要经历绕制工艺,并在服役过程中承受巨大的洛伦兹力,以及易在晶界/相界(GBs/PBs)中累积核反应产物氦(He)。因此,应用于聚变领域的结构功能材料需具备较高强度、较好塑性及优异的抗辐照损伤性能。 近日中科院合肥研究院固体物理所与美国麻省理工学院等合作,在聚变堆超导带材的设计及其抗氦辐照损伤研究方面取得进展。科研人员采用了一种改进的累积叠轧焊接技术(coded-ARB),通过“编码”二元组分的尺度分布,制备出一种具有多级特征结构并满足上述性能要求的铌基纳米叠层材料。该研究以“Superconducting Cu/Nb nanolaminate by coded accumulative roll bonding and its helium damage characteristics”为题,发表在金属材料顶级期刊《Acta Materialia》上。 论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420305371 操纵微观结构的特征尺度是一种用于优化材料性能的设计策略。本论文研究发现,通过实现类似“条形码”形貌的双相分层结构可以有效的调控箔材在轧制过程中的局部应力分布,将部分剪切力转化为压应力,延缓材料开裂,增加等效应变。其中,高密度的纳米级铜层抑制位错运动,通过防止裂纹在铌基体层间的拓展,进而提高纳米叠层材料的强度和韧性,并增强了纳米级铌层的抗氧化能力。同时控制加工过程中材料内部应力场的变化构建出不同的界面类型,即通过不断累积的失配位错与界面发生相互作用,利用“位错泵”效应加速铜与铌原子之间的固溶,形成化学混合区域。并随着塑性应变的积累,晶格缺陷密度的增大,界面演变为具有三维尺度的非晶无序结构。图1. 具有多级特征结构的铌基纳米叠层材料的制备工艺过程。