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Development of reduced activation high entropy alloy composites for fusion plasma facing applications = 핵융합 플라즈마 대면재용 저방사화 고엔트로피 합금 복합재 개발
서명 / 저자 Development of reduced activation high entropy alloy composites for fusion plasma facing applications = 핵융합 플라즈마 대면재용 저방사화 고엔트로피 합금 복합재 개발 / Owais Ahmed Waseem.
저자명 Waseem, Owais Ahmed ; 왓심 오와이스 아흐메드
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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초록정보

A reduced activation high-entropy alloy with $W_{0.3}TaTiVCr$ and its derivative alloys with increased W content up to 90at.% were prepared via the mixing of elemental powders followed by spark plasma sintering for fusion plasma-facing materials. Characterization of the sintered samples revealed a BCC lattice and a multi-phase structure. Mechanical tests of the samples revealed improvement in the hardness (~800HV) and strength (~2000MPa) due to solid-solution strengthening and dispersion strengthening. This study explored the potential of SPSed $W_{0.5}TaTiVCr$ alloy, which shows enhanced strength and hardness along with higher W content as well. WxTaTiVCr was subjected to thermogravimetric analysis at 1000oC for 3 hours in air environment. The oxide layers have been characterized. The results disclosed significantly reduced mass gain (16 mg/$cm^2$) in $W_{0.5}TaTiVCr$ as compared to pure W due to significant concentration of Cr and Ti. The micrographs of oxidized samples also confirmed higher oxidation resistance of $W_{0.5}TaTiVCr$ as it showed considerably low thickness of oxide scale (~767µm) as compared to that on pure W (~949 µm). Considering improved mechanical strength and oxidation resistance of $W_{0.5}TaTiVCr$, $W_{short fibers}$ and $W_{particles}$ both were embedded in $W_{0.5}TaTiVCr$ to improve its fracture strain. Isotropic composites with >99% relative densities were developed via 3D mixing and spark plasma sintering. Random dispersion of well-bonded reinforcement in $W_{0.5}TaTiVCr$ matrix were observed. A four-times increase in fracture toughness (from ~7.7 to ~29.6 MPa·$m^{1/2}$) was observed due to debonding, fractional pull put, and limited plastic deformation of $W_{short fibers}$. 200 keV He ion irradiation of $W_{0.5}TaTiVCr$/10wt.%$W_{short fibers}$ didn’t impart any effect on surface morphology as no irradiation induced nanostructures were observed. TEM examination revealed irradiation damage in the form of randomly dispersed black spots, which caused a slight increase in nanoindentation hardness near irradiated surface. At 200nm depth, the relative hardness ratio ($H^{irr}/H^{unirr}$) for $W_{short fibers}$ (pure W) was 1.6, which remained limited to 1.3 for the $W_{0.5}TaTiVCr$ matrix. Lower $H^{irr}/H^{unirr}$ for $W_{0.5}TaTiVCr$ suggests its enhanced irradiation resistance as compared to pure W. 1.24 MeV electron irradiation of $W_{0.5}TaTiVCr$ at 25oC, 400oC and 800oC up to 1.12x$10^{26}$ /$m^2$ showed no indication of irradiation damage in contrast to pure W. The promising behavior of $W_{0.5}TaTiVCr$/$W_{short fibers}$ forecasts its potential applications in future fusion plasma-facing applications.

핵융합 플라즈마 대면 재료로 활용될$W_{0.3}TaTiVCr$ 와 텅스텐 함량이 90%까지 점진적으로 증가된 고 엔트로피 합금들을 분말 혼합과 방전 소결 방법에 의해 제조하였다. 소결된 합금들은 BCC 결정구조 기반의 다상 구조를 가졌으며 기계적 특성을 순수 텅스텐과 비교했을 때, 고용 강화 및 분산 강화로 인한 경도 (~ 800 HV) 및 강도 (~ 2000 MPa)의 향상을 보였다. 열 중량 분석기를 통해 3시간동안 $1000^oC$ 공기 중에서 산화 시험을 수행한 결과, Cr과 Ti의 첨가로 인해, 순수 텅스텐보다 $W_{0.5}TaTiVCr$이 더 낮은 질량 변화를 보였으며 (16 mg/$cm^2$), 순수한 W (949 $\mu$m)에 비해 W0.5TaTiVCr의 산화막이 더 얇은 두께 (~ 767 \mu$m)를 갖는 것을 확인하였다. $W_{0.5}TaTiVCr$의 연성을 증가시키기 위해, W섬유와 W 입자를 혼합하여 소결한 결과 이론밀도 99 % 이상의 밀도를 갖는 복합 재료를 제조할 수 있었다. 미세조직 분석을 통해 $W_{0.5}TaTiVCr$기지 내에서 강화재들이 잘 분산 되어 있음을 확인하였다. 텅스텐 섬유가 첨가된 복합재는 첨가되지 않은 복합재와 비교했을 때 파괴 인성이 4배 증가하였다 (7.7~29.6 MPa·$m^{1/2}$). 10.wt % 의 텅스텐 섬유가 들어간 복합재에 200 keV의 헬륨이온을 조사했을 때 표면 미세구조의 손상이나 변화가 관찰되지 않았다. TEM분석 결과 200 nm깊이에 해당하는 조사 손상이 있었으며, 600 nm 깊이까지 경도가 증가하는 것을 나노 압입 분석을 통해 확인하였다. 200 nm 깊이에서 순수 텅스텐은 방사선 조사 후 경도가 1.58배 증가한 반면, $W_{0.5}TaTiVCr$ 합금은 1.29배 증가했다. 또한 서로 다른 3가지 온도에서 $W_{0.5}TaTiVCr$ 합금에1.24 MeV의 전자빔을 조사한 결과, 순수 텅스텐과는 달리 조사 손상에 의한 결함 생성이 나타나지 않았다. 이 결과들은 $W_{0.5}TaTiVCr$ 의 조사 저항성이 순수 텅스텐보다 우수하다는 것을 입증한다. 위 실험의 결과들은 $W_{0.5}TaTiVCr$ 합금과 그 복합재들이 핵융합 대면재로서 응용될 가능성을 보여준다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DNQE 19016
형태사항 v, 91 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 왓심 오와이스 아흐메드
지도교수의 영문표기 : Ho Jin Ryu
지도교수의 한글표기 : 류호진
수록잡지명 : "Powder metallurgy processing of a WxTaTiVCr high-entropy alloy and its derivative alloys for fusion material applications". Scientific Reports, 7, 1926
수록잡지명 : "Toughening of reduced activation tungsten alloy by tungsten short fibers and particle reinforcements for fusion plasma facing applications". Nuclear Fusion,
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 원자력및양자공학과,
서지주기 References : p. 67-86
주제 High entropy alloy
tungsten alloy
composites
fracture toughness
plasma-facing material
고 엔트로피 합금
텅스텐 합금
복합재료
파괴 인성
플라즈마 대면 재료
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