Exploring novel plasma-facing materials with exceptional irradiation resistance is a pivotal and challenging endeavor for applications in the harsh environment of energetic ion irradiation in future fusion reactors. In this work, tungsten-containing WTaTiVCr refractory high-entropy alloys (RHEAs) featuring nano-columnar crystalline structures were subjected to irradiation with 60 keV helium ion (He+) beams at fluences ranging from 1 × 1016 cm−2 to 2 × 1017 to elucidate the fundamental mechanisms governing He behavior and superficial swelling height. After irradiation, the WTaTiVCr RHEAs demonstrated remarkable micro-structural stability, exhibiting only minimal grain growth while maintaining their characteristic columnar architecture. At the highest fluence (2 × 1017 cm−2), detailed characterization revealed the preferential formation of distinctive ribbon-like He bubbles along grain boundaries, confirming these interfacial regions as favorable nucleation sites. While the overall phase structure remained stable throughout the irradiation process, advanced micro-structural analysis detected localized elemental segregation phenomena. This segregation behavior appears to be directly correlated with the development of highly pressurized bubbles and associated micro-crack formation within the columnar grain boundaries. Meanwhile, this study provides comprehensive insights into the complex interactions between internal bubble formation and surface blister development, revealing that these mechanisms collectively contribute to the observed irradiation-induced swelling behavior.
優れた耐照射性を有する新規プラズマ対向材料の探索は、将来の核融合炉における高エネルギーイオン照射という過酷な環境での応用にとって、極めて重要かつ困難な取り組みである。本研究では、ナノ柱状結晶構造を有するタングステン含有WTaTiVCr高融点高エントロピー合金(RHEAs)を、He挙動と表面スエリング高さを支配する基本メカニズムを解明するため、1 × 10¹⁶ cm⁻² から 2 × 10¹⁷ までのフルエンス範囲の60 keVヘリウムイオン(He+)ビーム照射に供した。照射後、WTaTiVCr RHEAsは顕著な微細構造安定性を示し、特徴的な柱状構造を維持しながら、ごくわずかな粒成長のみを示した。最高フルエンス(2 × 10¹⁷ cm⁻²)では、詳細な特性評価により、粒界に沿った特徴的なリボン状Heバブルの優先的形成が明らかになり、これらの界面領域が好ましい核形成サイトであることが確認された。全体的な相構造は照射プロセス全体を通じて安定であった一方、高度な微細構造解析により、局所的な元素偏析現象が検出された。この偏析挙動は、柱状粒界内における高圧バブルの形成および関連するマイクロクラック形成と直接相関しているように見える。一方、本研究は、内部バブル形成と表面ブリスター成長の間の複雑な相互作用に関する包括的な洞察を提供し、これらのメカニズムが総体的に観察された照射誘起スエリング挙動に寄与していることを明らかにする。