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面向等离子体材料用先进钨复合材料的改性研究进展与趋势

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粉末冶金技术 2023年第1期41卷 12-29页

作者：罗来马颜硕刘祯昝祥吴玉程合肥工业大学材料科学与工程学院合肥2300092 合肥工业大学有色金属与加工技术国家地方联合工程研究中心合肥2300093 合肥工业大学高性能铜合金材料及成形加工教育部工程研究中心合肥230009

核聚变能是解决未来社会能源危机的有效途径之一,但面向等离子体材料在聚变堆体中面临着来自等离子体严重的辐照和热冲击损伤。纯钨因其高热导率、良好的高温强度、低溅射和低蒸气压而被认为是最有希望的面向等离子体候选材料。纯钨在... 详细信息

核聚变能是解决未来社会能源危机的有效途径之一,但面向等离子体材料在聚变堆体中面临着来自等离子体严重的辐照和热冲击损伤。纯钨因其高热导率、良好的高温强度、低溅射和低蒸气压而被认为是最有希望的面向等离子体候选材料。纯钨在聚变堆工况条件下具有严重的脆性风险,因而对面向等离子体材料用先进钨材料的改性成为近年来的研究热点。钨基复合材料的改性方法主要包括合金化、第二相强化、纤维增韧和复合强化。本文综述了近年来国内外针对核聚变反应堆面向等离子体材料用钨基复合材料的改性方法及其性能,分析了钨基复合材料的改性机制,并展望了面向等离子体材料用钨基复合材料的发展方向。

关键词：聚变反应堆面向等离子体材料钨基复合材料改性方法性能

梯度复合SiC/C面向等离子体材料的制备与表征

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无机材料学报 2003年第4期18卷 794-800页

作者：武安华曹文斌葛昌纯李敬锋川崎亮北京科技大学特种陶瓷粉末冶金研究室清华大学材料科学与工程系北京100084 日本东北大学

利用粉末冶金方法,完成了SiC和C两种难烧结物质的同步烧结,制备出了SiC成分分布从0％～100％的接近理论密度的SiC/C FGM,显微观察显示材料的成分和结构是呈梯度分布的。材料将SiC的良好的耐腐蚀性和石墨的良好的抗热冲击性结合在一起,... 详细信息

利用粉末冶金方法,完成了SiC和C两种难烧结物质的同步烧结,制备出了SiC成分分布从0％～100％的接近理论密度的SiC/C FGM,显微观察显示材料的成分和结构是呈梯度分布的。材料将SiC的良好的耐腐蚀性和石墨的良好的抗热冲击性结合在一起,并具有较高的有效热导和良好的抗热疲劳能力,化学溅射和Tokamak原位等离子体辐照结果显示材料具有良好的耐高温等离子体冲刷性能。

关键词：功能梯度材料面向等离子体材料热导

微观组织对叠片结构钨基面向等离子体材料的热疲劳效应的影响

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物理学报 2024年第11期73卷 101-109页

作者：祁超马玉田齐艳飞肖善曲王波北京工业大学材制学部北京100124 中国科学院电工研究所北京100190 华北理工大学冶金与能源学院唐山063210

钨(W)作为面向等离子体材料的最佳候选者,对热冲击载荷的响应是未来聚变装置研究中的重要问题.在热负荷作用下,钨基面向等离子体材料(W-based plasma-facing material,W-PFM)的表面会产生热损伤,包括脆性开裂和疲劳裂纹.本文提出了抑制W... 详细信息

钨(W)作为面向等离子体材料的最佳候选者,对热冲击载荷的响应是未来聚变装置研究中的重要问题.在热负荷作用下,钨基面向等离子体材料(W-based plasma-facing material,W-PFM)的表面会产生热损伤,包括脆性开裂和疲劳裂纹.本文提出了抑制W-PFM热损伤的新方案,即叠片结构W-PFM方案.利用电子束设备对不同厚度和热处理工艺的W箔组成的叠片结构W进行了热疲劳实验.样品施加功率密度为48 MW/m^(2)的热脉冲,循环5000次.随着W箔片厚度的减小,叠片结构W表面的裂纹损伤减轻.叠片结构W在循环热载荷作用后表面产生的主裂纹均近似平行于箔片厚度方向.厚度较小的W箔表面只有主裂纹,厚度较大的W箔表面除了出现主裂纹外,还会形成裂纹网络,且主裂纹宽度较大.最终选取热损伤区域的扫描电子显微镜图像,并利用计算机图片处理软件和分析软件,对表面热疲劳裂纹损伤进行了定量分析.发现相同厚度下应力态W的裂纹面积最小,裂纹数量最少,说明去应力态W的抗辐照损伤能力最强.实验结果还表明,除了微观组织的影响,叠片结构W-PFM的单轴应力状态和裂纹阻断机制也都对其热疲劳性能的提高有所贡献.

关键词：聚变面向等离子体材料钨热疲劳

梯度复合B_4C/Cu面向等离子体材料的制备与表征

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无机材料学报 2001年第6期16卷 1121-1127页

作者：凌云汉李江涛葛昌纯北京科技大学特陶中心北京100083

基于Ｂ４Ｃ和Ｃu材料具有明显电阻率及熔点差的特点，提出了在超高压下通电快速烧结Ｂ４Ｃ／Ｃｕ梯度复合材料的新工艺．在２～４ＧＰａ、１２ｋＷ，４０ｓ及适当的热处理条件下成功制备出了成分分布从０～１００％的接近理论密度的Ｂ... 详细信息

基于Ｂ４Ｃ和Ｃu材料具有明显电阻率及熔点差的特点，提出了在超高压下通电快速烧结Ｂ４Ｃ／Ｃｕ梯度复合材料的新工艺．在２～４ＧＰａ、１２ｋＷ，４０ｓ及适当的热处理条件下成功制备出了成分分布从０～１００％的接近理论密度的Ｂ４Ｃ／Ｃu层状复合材料；显微观察显示材料的成分和结构是呈梯度分布的．化学溅射实验表明其产额比ＳＭＦ８００核纯级石墨降低７０％；在Ｔｏｋａｍａｋ原位等离子体辐照下，材料表面无明显损伤．

关键词：功能梯度材料复合材料面向等离子体材料碳化硼铜烧结制备表征 B4C/Cu

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基于弥散强化钨基面向等离子体材料研究进展

表面技术 2022年第8期51卷 168-178,213页

作者：刘豪龙海川郑鹏飞邱长军陈勇南华大学湖南衡阳421001 核工业西南物理研究院成都610225

重点综述了国内外关于氧化物或碳化物作为强化相的钨基面向等离子体材料的力学性能、氢滞留特性以及辐照损伤,发现制备工艺和强化相含量是影响钨基面向等离子体材料力学性能的主要方面,而均匀分散的强化相颗粒所致使的组织致密化程度更... 详细信息

重点综述了国内外关于氧化物或碳化物作为强化相的钨基面向等离子体材料的力学性能、氢滞留特性以及辐照损伤,发现制备工艺和强化相含量是影响钨基面向等离子体材料力学性能的主要方面,而均匀分散的强化相颗粒所致使的组织致密化程度更高是钨基材料力学性能提高的主要因素。其次,阐述了晶界和晶内的强化相颗粒分散不均表现出的位移损伤、气泡、绒毛、微裂纹等缺陷都将增加材料对氢同位素的捕获几率,以及等离子体辐照造成的脆化硬化将降低材料的抗热冲击性能。最后分析了近些年弥散强化钨基面向等离子体材料存在的关键基础问题,展望了未来弥散强化钨基材料的主要发展趋势,期望为开发优异的抗高热负荷和辐照损伤的钨基材料方面提供重要参考。

关键词：面向等离子体材料弥散强化钨基材料力学性能氢滞留辐照损伤

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面向等离子体材料钨表面HfNbTaTiZr高熵合金涂层体系的构筑及抗辐照性能

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面向等离子体材料钨表面HfNbTaTiZr高熵合金涂层体系的构筑及抗辐...

作者：雷晨庆太原理工大学

学位级别：硕士

核聚变反应产生的聚变能是解决现有能源问题的一种重要潜在途径,但聚变装置材料尤其是面向等离子体材料(PFMs)的选择制约着可控核聚变反应的发展,成为将聚变反应堆推向工程应用化或商用化的一大难题。金属钨(W)由于具有高密度、高熔点... 详细信息

核聚变反应产生的聚变能是解决现有能源问题的一种重要潜在途径,但聚变装置材料尤其是面向等离子体材料(PFMs)的选择制约着可控核聚变反应的发展,成为将聚变反应堆推向工程应用化或商用化的一大难题。金属钨(W)由于具有高密度、高熔点、高热导率、高的抗粒子溅射能力、低的氚滞留等优点,被认为是未来核聚变装置用直接面向等离子体的第一候选材料。但是作为与高能等离子体直接接触的PFMs,W在大量H、He以及中子的冲刷下,会出现诸如He泡、H泡、Fuzz结构、空洞以及位错环等缺陷导致W材料发生辐照肿胀、辐照硬化、辐照脆化等现象,从而降低材料的韧性、增加材料的脆性、使得材料的韧脆转变温度升高,影响PFMs在核聚变堆中的稳定运行。因此,提高金属W的抗辐照性能就成为了其作为PFMs在核聚变堆中应用的关键。本文采用双辉等离子表面合金化技术在纯W表面制备了HfNbTaTiZr高熵合金涂层,通过对表面合金化制备的合金涂层进行形貌观察、成分分析、物相检测、结合强度测试以及显微硬度测试等表征,优化制备工艺,并研究了HfNbTaTiZr高熵合金涂层的抗He辐照性能。主要研究内容及结果如下:(1)对不同参数下制备的HfNbTaTiZr高熵合金涂层进行了形貌、成分、物相、结合强度及显微硬度等分析和测试。由于制备过程中Ar等离子体的轰击,涂层表面的粗糙度较基体有所增加。制备的涂层均由沉积层和扩散层组成,表面合金化温度为950℃、工件极和源极间电压差300 V、极间距18 mm、工作气压35 Pa、保温时间为3 h时所制备的合金涂层表面的颗粒状形貌最致密,涂层表面的元素含量与靶材元素的成分比例最为接近。该工艺下制备的涂层其沉积层与扩散层、涂层与基体之间均未发生明显的开裂,涂层厚度均匀一致。此工艺下涂层表面硬度值最大,划痕测试结果也表明,该工艺下制备的合金涂层与基体间的结合较好。(2)对纯W试样及所有工艺下制备的HfNbTaTiZr高熵合金涂层试样进行了能量为30 e V,通量2.75×10 ions/m?s、剂量7.425×10 ions/m的低能高流强He辐照。辐照之后纯W表面产生了均匀的Fuzz结构,而HfNbTaTiZr高熵合金涂层试样表面或出现了Fuzz结构的前期阶段—波纹状/阶梯状形貌,或只在局部区域出现了Fuzz损伤,即损伤轻微。表明本实验制备的涂层可以有效抵御He对纯W表面造成的辐照损伤。辐照后产生局部Fuzz损伤的涂层试样表面存在明显的成分偏析,而整体表面出现波纹状或阶梯状形貌的涂层试样表面成分分布均匀,没有发生明显的团聚现象。温度为950℃、工件极和源极间电压差为300 V、极间距18 mm、工作气压35 Pa、保温时间为3 h的表面合金化工艺下制备的涂层试样经He辐照后其表面的成分含量与未辐照之前几乎一致,且辐照之后表面只出现了阶梯状和波纹状形态,表明该合金化工艺下所制备涂层试样其抗He辐照性能最佳。

关键词： Tokamak装置面向等离子体材料 HfNbTaTiZr高熵合金双辉等离子表面合金化离子辐照 Fuzz

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面向等离子体材料钨涂层的设计、制备和评价

面向等离子体材料钨涂层的设计、制备和评价

作者：冯云彪西南交通大学

学位级别：硕士

钨具有金属材料中最高的熔点,最低的蒸气压,良好的热导率和高温强度及尺寸稳定性,不会与氚形成混合物或发生共沉积等优点而被选为聚变堆中最有前景的一种面向等离子体材料(PFM)。CuCrZr合金具有很高的热导率,易于加工和焊接从而被选作... 详细信息

钨具有金属材料中最高的熔点,最低的蒸气压,良好的热导率和高温强度及尺寸稳定性,不会与氚形成混合物或发生共沉积等优点而被选为聚变堆中最有前景的一种面向等离子体材料(PFM)。CuCrZr合金具有很高的热导率,易于加工和焊接从而被选作聚变堆中的热沉材料,W与CuCrZr连接后组成的面向等离子体部件(PFC)承受着等离子体的冲击并及时将热量传导出去。等离子喷涂涂层技术同时实现了面向等离子体材料的制备和PFM与热沉材料的连接而受到研究者的重视。由于钨与热沉材料CuCrZr之间的物理性质相差较大,直接结合容易在界面处产生较大热应力而导致涂层的开裂进而使PFC失效。本文采用有限元方法对W/Cu梯度涂层的PFC在ITER相关工况的不同热流密度和不同梯度层厚度情况下对W/Cu PFC热应力分布及W的表面温度分布的影响进行了研究。结果表明功能梯度涂层能有效的缓解涂层连接界面间产生的热应力;涂层的表面温度随梯度涂层的厚度增加而线性升高;随热流密度的增加涂层的最大等效应力升高;在大于800MW/m2的瞬态偏位热流密度载荷下,涂层开始熔化。设计了以Mo/Cu-Mo/W为中间过渡层的涂层结构。使用大气等离子喷涂(APS)技术,分别以羰基钨粉和结晶钨粉为原料在110mm×130mmm的CuCrZr基体上成功地制备了总厚度～4mm的钨涂层,涂层没有发生开裂或剥落。证实了使用Mo作为中间过渡层在CuCrZr上制备厚W涂层的可行性。优化工艺后涂层的孔隙率小于2%。结果表明使用球形度好的羰基W粉制备出来的涂层整体性能优于无规则的结晶W粉制备的涂层。断口形貌显示涂层呈脆性断裂,使用EDS面扫描测得的涂层的平均氧含量较高(>6%)。在柱状晶结构的片层中没有发现氧的存在,氧主要分布在涂层中的疏松的片层间结构中。由于涂层的氧含量较高导致涂层的热导率最高仅12.52 W·m-1·K-1。在高强度脉冲离子束模拟的与ITER相关热流载荷下对APS制备的W涂层进行了热冲击实验。涂层在单次高能离子束冲击下部分片层开始熔化,且裂纹增多。涂层出现气泡以及由于气泡破裂而形成的泡沫状结构。在十次冲击后涂层表面全部重熔,并形成与在He等离子体辐照下产生的相似的微孔结构。涂层片层中的裂纹进一步增多。

关键词：等离子体喷涂功能梯度材料钨涂层面向等离子体材料聚变堆

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面向等离子体材料的溅射率研究

面向等离子体材料的溅射率研究

作者：李洋华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

面向等离子体材料的工作环境十分苛刻,其材料的选择决定着聚变堆装置的成功与否。碳基材料由于其高温承受能力好、不熔化只升华、具有高热导率和抗热冲击等优点是面向等离子体材料的重要候选材料。但是,当等离子体(氘原子、氚原子和氦原... 详细信息

面向等离子体材料的工作环境十分苛刻,其材料的选择决定着聚变堆装置的成功与否。碳基材料由于其高温承受能力好、不熔化只升华、具有高热导率和抗热冲击等优点是面向等离子体材料的重要候选材料。但是,当等离子体(氘原子、氚原子和氦原子)轰击碳基材料时,碳基材料所产生的溅射率高和氚的滞留率高等问题严重影响了其在聚变堆中的进一步使用。因此,研究碳基材料的溅射率有着重要的意义。本文通过分子动力学和蒙特卡罗相结合的方法,分别从粒子入射能量、入射粒子种类和基底温度三个因素对石墨、碳化硅和碳纤维增强碳化硅材料的溅射率进行计算与对比。计算表明:(1)石墨的溅射峰值在入射能量为25eV～50eV,碳化硅的溅射峰值在入射能量为200eV,碳纤维增强碳化硅材料的溅射峰值在入射能量为400 eV～500eV;(2)相同入射能量,石墨的溅射率>碳化硅的溅射率>碳纤维增强碳化硅材料的溅射率;(3)入射粒子种类对石墨的溅射率影响明显,溅射率随入射粒子的原子质量的增加而增大;而入射粒子种类对碳化硅及碳纤维增强碳化硅材料的溅射率影响不大;(4)基底温度对石墨的溅射率影响明显,溅射率随基底温度的升高而增大;但基底温度对碳化硅及碳纤维增强碳化硅的溅射率影响相对较小。此外,本文还研究了碳纤维增强碳化硅材料的溅射率随碳浓度和粒子入射角度的变化。计算可得:(1)当碳纤维增强碳化硅材料中碳的浓度为0.60～0.62左右时,溅射率达到最小值;(2)当入射角度小于30°时,溅射率几乎没有太大的变化,当入射角度大于30°时,溅射率随入射角度的增大而迅速降低。综合上述几种因素考虑,与石墨和碳化硅相比,碳纤维增强碳化硅材料更适合作为面向等离子体材料。

关键词：面向等离子体材料溅射率分子动力学蒙特卡罗

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聚变堆中面向等离子体材料的研究进展

材料导报 2005年第12期19卷 5-8,12页

作者：周张健钟志宏沈卫平葛昌纯北京科技大学材料学院特种陶瓷研究中心北京100083

受控热核聚变能是公认的可以有效解决人类未来能源需求的主要途径之一,经过多年的努力,其研究已经取得很大进展,进入了从物理可行性向工程可行性的验证阶段。决定核聚变能未来发展的一个关键问题是相关的材料问题,尤其是面向等离子体材... 详细信息

受控热核聚变能是公认的可以有效解决人类未来能源需求的主要途径之一,经过多年的努力,其研究已经取得很大进展,进入了从物理可行性向工程可行性的验证阶段。决定核聚变能未来发展的一个关键问题是相关的材料问题,尤其是面向等离子体材料的发展。评述了国内外目前核聚变实验装置中面向等离子体材料的研究进展。

关键词：聚变堆面向等离子体材料低Z材料高Z材料