In this work, a bulk W-B-Fe-Cr shielding material with lower boron content (9.6 at.%) has been fabricated by hot isostatic pressing (HIP) for potential engineering applications in compact fusion reactors. The microstructure, mechanical properties and oxidation resistance of W-B-Fe-Cr were systematically investigated. By HIP sintering at 1250 °C, the uniform, dense and crack-free microstructure of W-B-Fe-Cr was obtained. The results of the phase analysis show that W-B-Fe-Cr is mainly composed of W, (Fe,Cr)WB and (Fe,Cr)7W6. In the range of 500 °C–1000 °C, the low-boron W-B-Fe-Cr possesses higher flexural strength than the reported high-boron (16 ∼ 30 at.%) W2B-W owing to its W-rich composition, which can more effectively exploit both the toughness of the W phase and the hardening effect of the boride phase. The results show that although the neutron shielding property is degraded by the reduction of the boron content, conversly the strength is enhanced. Therefore, for W-B based shielding reactive sintered borides (RSBs), prudent balancing between shielding capability and mechanical performance is essential for the design of the boron content. To evaluate the oxidation resistance of W-B-Fe-Cr, the bare specimen and its Si-coated counterpart were subjected to oxidation tests in air at 1000 °C. The underlying WSi2-(FeWCr)Six dual-phase reaction layer was formed by coating Si, which was transformed into the dense SiO2 protective film at high temperature to effectively prevent exposure of the substrate. The scientific discoveries and constraints of the low-boron W-B-Fe-Cr research are systematically summarized, and the prospective strategies for mechanical performance optimization in high-boron derivatives are reviewed.
本研究では、コンパクト核融合炉における工学的応用の可能性を目的として、より低いホウ素含有量（9.6 at.%）を有するバルクW-B-Fe-Cr遮蔽材料を、熱間等方圧加圧（HIP）により作製した。W-B-Fe-Crの微細組織、機械的特性および耐酸化性を系統的に調査した。1250 °CでのHIP焼結により、W-B-Fe-Crの均一で緻密かつ割れのない微細組織が得られた。相分析の結果は、W-B-Fe-Crが主としてW、(Fe,Cr)WBおよび(Fe,Cr)7W6から構成されることを示している。500 °C–1000 °Cの範囲において、低ホウ素W-B-Fe-Crは、Wリッチな組成を有するため、報告されている高ホウ素（16 ∼ 30 at.%）W2B-Wよりも高い抗折強度を示す。これは、W相の靭性とホウ化物相の硬化効果の両方をより効果的に活用できるためである。結果は、ホウ素含有量の低減により中性子遮蔽特性が低下する一方、逆に強度が向上することを示している。したがって、W-B系遮蔽用反応焼結ホウ化物（RSBs）においては、ホウ素含有量の設計には遮蔽能力と機械的性能の間の慎重なバランスが不可欠である。W-B-Fe-Crの耐酸化性を評価するため、未被覆試験片とそのSi被覆試験片を1000 °Cの大気中で酸化試験に供した。Siコーティングにより下地のWSi2-(FeWCr)Six二相反応層が形成され、このSiコーティングは高温で緻密なSiO2保護膜へと変質して、基材の露出を効果的に防いだ。低ホウ素W-B-Fe-Cr研究の科学的発見と制約が体系的に要約され、高ホウ素誘導体における機械的性能最適化のための今後の戦略が概説される。