当核聚变堆同时发生冷却失效和空气进入反应堆事故时,作为第一壁候选材料的W,易被氧化成易挥发的WO3。一旦具有放射性的WO3进入大气中,将对人类产生巨大危害。为解决上述核安全问题,科学家们提出了智能高温自钝化W合金的设计理念。Si是一种典型的高温钝化元素,它在高温氧化条件下形成的Si O2具有熔点高,热力学稳定性好的特点,常被用作抗高温氧化材料（1000℃及以上）的保护性涂层。同时,Si也是一种低放射性活性元素,W-Si合金薄膜已被证实是一种候选的智能自钝化合金。可见,W-Si合金块体同样有望成为面向等离子体自钝化材料。但目前关于W-Si合金块体的抗氧化性能及机理的研究仍为空白。本文以自钝化W-Si合金块体为研究对象,研究了该合金的组织结构和物理力学性能,对比了不同温度和时间下合金的氧化动力学行为、氧化膜的组织结构演变过程,揭示了合金的高温抗氧化机理,获得了具有良好自钝化行为的W-Si合金组分,并基于此开发出一种新型的自钝化W-Si-Y三元合金。主要内容如下:1.采用机械合金化（MA,Mechanical alloyig）和放电等离子体烧结（SPS,Spark plasma sintering）技术制备了W-Si合金块体。研究了Si含量对合金组织结构和物理力学性能的影响。在W-3 at.%Si中,Si以W（Si）固溶体和Si Ox颗粒的状态存在于基体中。随着Si含量的增加,W5Si3开始出现,其相空间逐渐由弥散分布转变为连续分布状态。W-32 at.%Si合金在600°C下的抗拉强度和极限应变分别达到353 MPa和4.58%,近纯W的两倍。W-Si合金的热导率随温度的升高而增大,当温度达到600℃,W-3 at.%Si的热导率为89.3±0.3 W·m-1·k-1,W-32 at.%Si的热导率为23.0±0.1 W·m-1·k-1。2.W-Si合金的高温抗氧化性能随Si含量的增加而增强。W-32 at.%Si合金块体在1000°C氧化10 h,仍能保持稳定结构,且在氧化层、氧化层/合金界面及合金内部未发现孔洞、裂纹等缺陷,其在1000℃大气环境中的氧化速率仅为纯W的1/18。3.W-Si合金的高温抗氧化机理与合金中Si的含量相关。低硅合金（W-3 at.%Si）的高温抗氧化机理归因于固溶Si与O反应生成的纳米Si O2颗粒,该纳米颗粒可有效阻止WO3晶粒的长大和裂纹在氧化层中的扩展。但是当温度达到1000℃,随着氧化时间延长,更多纳米颗粒将从W中析出并相互连接长大形成交联网络结构,这种变化将引起氧化层的破坏失效。高Si合金（W-32 at.%Si）的高温抗氧化机理归因于连续分布的W5Si3相氧化形成的WO3/Si Oy复合氧化膜和纳米多孔无定形Si Oy氧化膜的协同作用,它们能在1000℃的高温氧化条件下稳定服役。生成的氧化膜既可以阻止WO3颗粒挥发,延长氧及合金元素的扩散路径,又可以通过氧化膜的自适应变形吸收氧化层中的压应力,避免了氧化层内部的裂纹生成和扩展,改善了合金的高温抗氧化性能。4.开发出具有良好自钝化能力的新型W-Si-Y三元合金,并探讨了Y含量对合金高温氧化行为的影响。发现W-32 at.%Si-6 at.%Y合金的高温氧化速率最小,它在1000℃大气环境中的氧化速率仅为纯W的1/90,并在1000℃等温氧化80 h后依然可以保持完整结构。该合金表面的氧化层由四层氧化膜构成,由外至内,分别是呈熔融状态的W-Y-O氧化膜,W-Y-O颗粒封孔的纳米多孔氧化膜和WO3颗粒构成的氧化膜,WO3、W-Y-O和Y2Si2O7构成的粗大疏松氧化膜,纳米Y2O3颗粒稳定的致密WOx/Si Oy复合氧化膜。多层氧化膜的协同作用改善了合金的高温抗氧化性能。