Nanocrystalline W-5 wt.% Y2O3 (WYO) with an average grain size of 10 nm and W-5 wt.% Y2O3-2.5 wt.% Ni (WYON) with an average grain size of 85 nm were successfully fabricated for the first time using a high-energy ball-milling method followed by a resistance sintering under ultrahigh pressure (RSUHP) technique. Investigation of the microstructure of sintered WYO shows that the intergranular doping of Y2O3 grains inhibits the grain growth of W, and investigation of the microstructure of sintered WYON shows that the addition of Ni atoms leads to the grain growth and density increase. The Vickers hardness of sintered WYO and sintered WYON is much higher than that of ITER grade W. The He bubble areal density and swelling of WYO and WYON are much lower than those of ITER grade W, indicating that WYO and WYON possess exceptional higher irradiation tolerance in terms of He ion damage than coarse-grained ITER grade W. This study demonstrates the promising applications of nanocrystallined W-based alloys as plasma-facing materials (PFMs) due to their ultrahigh hardness and excellent radiation tolerance.
ナノ結晶質W-5 wt.% Y₂O₃（平均粒径10 nm）およびW-5 wt.% Y₂O₃-2.5 wt.% Ni（平均粒径85 nm）を、高エネルギー遊星ボールミリング法とそれに続く超高圧下抵抗焼結（RSUHP）法を用いて初めて作製することに成功した。焼結WYOの微細組織の調査により、Y₂O₃粒子の粒界析出がWの粒成長を抑制することが示され、焼結WYONの微細組織の調査により、Ni原子の添加が粒成長と密度増加をもたらすことが示された。焼結WYOおよび焼結WYONのビッカース硬さは、ITERグレードWよりもはるかに高い値であった。WYOおよびWYONのHeバブル面積密度とスエリングは、ITERグレードWのそれらよりもはるかに低く、WYOおよびWYONが粗粒ITERグレードWよりもHeイオン損傷に対して卓越した高い照射耐性を有することを示している。本研究は、超高高硬度と優れた放射線耐性を有するナノ結晶化W基合金が、プラズマ対向材料（PFM）として有望な応用可能性を持つことを実証している。