氮等离子体预辐照对钨中氘滞留的影响

利用直线等离子体模拟装置开展氮和氘等离子体注入钨的实验,采用微分干涉差显微镜(DIC)、场发射扫描电子显微镜(SEM)结合聚焦离子束(FIB)以及X射线光电子能谱仪,分别研究氮和氘等离子体辐照前后钨表面成分、形貌和微观组织结构的变化,采用超高真空热脱附系统对氮等离子体预先辐照后钨中氘的捕获状态和滞留总量进行分析。结果表明:经氮辐照后,钨样品表面形成了氮化钨相,进一步注入氘等离子体后其表面起泡增多,氘在钨中的滞留总量升高。这是由于氮化钨相的形成阻碍了氘原子沿表面方向扩散逃逸,使氘原子在钨的亚表面过饱和聚集,导致钨中氘致起泡现象更加明显。     

钨铼合金制备工艺及其热负载行为的研究现状

钨凭借其优异的性能,已成为核聚变堆面向等离子体材料的候选材料之一。在核聚变堆运行过程中,钨将面临高热负载辐照、高氢/氦等离子体辐照和高能中子辐照。其中,钨经中子辐照后会产生嬗变元素铼,随着核聚变反应的进行,铼元素将在钨中持续产生和积累,形成嬗变产物钨铼合金。因此,钨面向等离子体材料的热力学参数和耐热负载性能会发生变化,这将关系到钨面向等离子体材料的服役性能,甚至关系到反应堆的稳定运行问题。目前,由于在实验室条件下核聚变高能中子的产生受限,故而对嬗变产物钨铼合金的研究主要基于实验室制备的钨铼合金。本文综述了现阶段钨铼合金的主要制备工艺及其热负载行为,分析了钨铼合金热负载行为中存在的问题,希望能为未来核聚变堆中钨面向等离子体材料的早日应用提供参考。     

化学气相沉积钨中氘热脱附特性的定量分析

利用不同升温速率的热脱附谱法(TDS)研究了化学气相沉积钨(CVD-W)经70 eV/D、1.3×10~(25) D/m~2的氘离子辐照后,样品中氘的热脱附特性。结果表明:在该实验条件下,CVD-W中氘滞留总量在10~(19) D/m~2量级;氘的脱附温度区间为400～800 K;脱附总量与升温速率呈负相关,且脱附温度区间会随着升温速率提高而向高温区漂移;CVD-W中氘的主要俘获位为位错或晶界,氘的脱附活化能为0.88 eV,缺陷激活能为0.81 eV。     

氘在钨铜复合材料中的渗透和滞留行为研究

对钨铜复合材料中的氢同位素渗透和滞留行为进行了研究,通过采用气体驱动渗透和热脱附谱测试获得了氘在钨及钨铜复合材料中的渗透率、扩散系数、溶解度及相关活化能数据,并对氘在钨铜复合材料中的渗透和滞留性能进行了分析。结果表明:1)氘在钨铜复合材料中的渗透率比在纯钨中大2～3个数量级;2)在钨铜复合材料中的扩散系数比在纯钨中大5～6个数量级;3)随着复合材料中铜的含量增加,氘的渗透率与扩散系数均呈现增大趋势;4)钨铜复合材料之间的相界面具有氘快扩散通道作用。氘在钨铜复合材料中的溶解度比起纯钨小很多,溶解激活能也更大,说明铜对氘在钨中的固溶可能具有减弱的作用,这与氘在钨铜复合材料中快速扩散的结论一致。在气相热充实验中,因为快速降温使钨铜复合材料中捕获的氘来不及释放,所以钨铜复合材料中氘的表观滞留量比纯钨高约1个数量级。     

钨基面向等离子体材料的研究进展

综述了国内外广泛研究的W-La2O3和W-TiC合金的制备工艺、力学性能和辐照性能的研究进展。结果表明:向钨基体中加入La2O3弥散相,虽然能够显著改善钨的强度和韧性,但使钨的抗辐照性能降低,氢泡密度和氢滞留量明显增加;当采用TiC纳米颗粒作为弥散相,经过热等静压烧结和塑性加工后,钨合金的抗弯强度达到4.4 GPa,再结晶温度高于2 473K,韧脆转变温度(DBTT)比纯钨的低100 K;TiC的加入能够显著提高钨的抗辐照性能,与纯钨相比,氚滞留量减小,没有明显的辐照硬化,材料表面没有裂纹和剥落。     

钨中氘热脱附特性的定量研究

金属钨(W)是未来聚变堆反应环境中面向等离子体的主要候选材料之一,开展W中氢同位素输运和滞留行为的定量研究,对评估钨的服役性能及聚变堆燃料的物料平衡至关重要。本工作采用热脱附谱方法定量研究了多晶W经能量为100 eV/D、注量为3.8×10²⁴ D/m²的D⁺辐照作用后,在不同升温速率下氘的热脱附特性。研究发现,氘的热脱附量在不同升温速率下均为10²² D₂/m²量级,随着升温速率的增大,氘的热脱附峰峰位向高温方向移动。多晶W中氘的热脱附行为符合一级反应特征,钨中空位是氘在钨中的主要俘获态,D原子的热脱附能为1.04 eV。     

单晶6H-SiC经氦离子辐照及退火后的微观组织研究

在400℃下对单晶6H-SiC进行了400keV氦离子辐照,辐照剂量为1×10~(16)He~+/cm~2,随后在1200和1500℃退火30min。采用透射电子显微镜和扫描电子显微镜对辐照态和退火态SiC进行微观结构观察与分析。结果表明,单晶6H-SiC在400℃经氦离子辐照后,仅观察到由辐照引起的位移损伤带,而未观察到明显尺寸的氦气泡。但经1200℃退火30min后,在辐照损伤区域形成了呈血小板状的气泡簇,其主要分布在(0001)晶面上,少量形成在(1120)晶面。辐照未在6H-SiC表面上形成明显尺寸的缺陷,而经1200℃退火30min后,SiC表面出现大尺寸的起泡和凹坑,进一步提高退火温度至1500℃时,表面起泡和形成凹坑更严重,并产生了大量裂纹。本研究同时对微观结构演化的机理进行了分析与讨论。     

氦离子辐照对316L钢焊缝微观结构及性能影响

316L不锈钢作为压水堆候选结构材料,在服役过程中需要承受辐照效应. 为了探明辐照对316L焊缝微观结构及性能的影响及作用机制,系统研究了经氦离子辐照后316L钢焊缝表面形貌、微观组织结构、显微硬度及电化学腐蚀性能的变化规律. 结果表明,150 keV氦离子辐照后试样表面产生大量细小的孔洞,这导致试样耐腐蚀性能降低,母材和焊缝金属腐蚀电流密度分别增加5.42 × 10?5与5.91 × 10?5 A/cm2. 辐照导致试样内部出现氦泡、位错等缺陷,这些缺陷使得试样产生辐照肿胀和辐照硬化现象,母材与焊缝肿胀率分别为0.103%与0.181%,显微硬度分别提高2.33与2.55 GPa. 通过EBSD测试方法证实,焊缝金属晶粒尺寸较大,使得其抗辐照性能相比316L钢稍差.     

钨粉中驻留氘去除技术研究

氢同位素在钨基材料中的滞留及有效去除,对于材料在聚变堆工况下的损伤评估和氢同位素燃料的投放有着重要的意义。为消除块体钨的几何尺寸因素在氢同位素滞留与有效去除研究中的影响,本工作使用钨粉进行了氢同位素滞留与有效去除的研究,采用热解吸法与同位素置换法两种方式对气相热充进入钨粉的氘进行去除,获得了两种方式去除后钨粉中氘的残留量、脱附特征峰、固溶度等结果。结果表明,两种去除方式对于钨粉中驻留的表面吸附、低能陷阱捕获和高能陷阱捕获的氘都有明显的去除效果;两种去除方式达到平衡的时间与条件不同;同位素置换法相较热解吸法去除效果更好,但操作难度更大,综合考虑,热解吸法具有较大优势。     

用离子渗碳和离子渗氮的AISI 316L SS钢制备的扩张奥氏体在高温和高能脉冲离子束辐照下的稳定性

经离子渗碳或离子渗氮的奥氏体不锈钢制得扩张奥氏体。两种处理都得到过饱和氮或碳的fcc晶体结构,被高度硬化,能提高耐磨性,同时保持原有的耐腐蚀性。本项工作中研究了用离子渗碳或离子渗氮的含N和C的AISI 316L SS钢制备的扩张奥氏体,在高温(225~504℃)和具有高能(30~500 keV),高能量(~1015cm-2),短时间(~400 ns),轻离子束(氘和氦)的辐照下的稳定性。     

钾掺杂钨合金中气相热充氘的热脱附行为

钾(K)掺杂钨(W)合金已经表现了优异的高温力学性能,成为最有希望的PFMs 备选材料之一.为评估氢同位素在W-K合金中的滞留情况,采用放电等离子烧结技术(SPS),制备了纯W及K含量82 μg/g 的W-K 合金,通过气相热充法引入氘(D)元素,考察热脱附行为.研究表明,气相热充氘释放温区从600 K 延伸至1200...     

强流脉冲离子束作用下超细晶钨的抗瞬态热负荷性能评价(英文)

采用高能球磨和放电等离子体烧结技术制备纯钨、氧化物弥散强化钨和碳化物弥散强化钨。为了评价钨在瞬态热冲击下的性能,采用强流脉冲离子束,在热流密度高达160MW/(m2·s-1/2)的条件下对4种不同晶粒尺寸的钨进行抗热冲击试验。与商品钨相比,弥散强化钨在瞬态高热流作用下显现出不同的行为。氧化物弥散强化钨显现出较差的抗热冲击性能,这主要是由于低熔点的第二相Ti和Y2O3的引入,从而使得钨的表面发生熔融、起泡和开裂。而碳化物弥散强化钨合金则显现出较好的抗热冲击性能。     

ZrCo和Zr0.7Hf0.3Co合金中氦泡演化和氦热释放研究

采用混合能量离子注入法在ZrCo及Zr_(0.7)Hf_(0.3)Co合金中引入氦,利用透射电镜观察氦泡形貌随贮存时间的演化。结果表明Zr_(0.7)Hf_(0.3)Co中氦泡平均尺寸比ZrCo更小,随贮存时间的延长,两者均被观察到氦泡的合并与长大。利用氦热释放谱研究贮存时间对氦热释放行为的影响,当贮存时间达到105d时,ZrCo中氦的总释放量和在较低温度下的释放分数均减少;而Zr_(0.7)Hf_(0.3)Co合金在贮存的175d内,较低温度下释放分数逐渐增加,总释放量无明显变化,这表明Zr_(0.7)Hf_(0.3)Co比ZrCo具有更优异的固氦性能。     

等离子浸没式注入表面改性

采用新型的离子注入技术－离等子体浸没式离子注入对４５钢进行了氮离子注入,测定了注入层的氮浓度俄歇剖面会布,显微硬度和摩擦性能,对磨损表面进行了扫描电镜分析。结果表明,采用等离子浸没式离子注入技术能够获得钢表改性效果。     

Scattering of low-energy ions from the surface of a W(211) single crystal

Low-energy ion scattering has been used to study the (211) surface plane of bcc tungsten single crystal. It has been shown that the scattering of ⁴He⁺ ions from this plane in the case of normal incidence has some specific features that manifest themselves in the appearance of additional peaks in the mass spectrum. Each peak can be explained based on specific mechanisms of scattering, such as reionization of neutralized helium ions or multiple inelastic scattering in the same crystallographic direction.     

CrMn0.3FeVCu0.06高熵合金的微观组织及抗辐照性能研究

本文采用粉末冶金技术制备了CrMn0.3FeVCu0.06高熵合金合金,并系统研究了合金的微观组织、力学性能及抗辐照性能,结果表明,采用粉末冶金制备的CrMn0.3FeVCu0.06合金由BCC结构的固溶体基体和FCC结构的第二相颗粒组成,且由于合金的晶粒尺寸和第二相颗粒的尺寸较小,晶界强化和弥散强化效应有效地提高了合金的强度和硬度,此外,由于第二相颗粒为FCC软相,颗粒起到弥散强化的同时又不会严重降低合金的塑性,因此,CrMn0.3FeVCu0.06合金同时具备高强度和优异的塑韧性。CrMn0.3FeVCu0.06合金的D等离子体辐照试验表明,在500 K、40 eV、1×1022 m-2s-1的辐照条件下,合金内部产生辐照气泡需要的临界辐照剂量Φcr大于2.0×1025 m-2,远大于同等辐照条件下在多晶钨中产生气泡的临界剂量,合金的抗辐照鼓泡性能优于传统的多晶钨,且随着辐照剂量的增大,合金表面的辐照气泡尺寸逐渐增大。此外,合金的纳米压痕测试结果表明,辐照温度和剂量对合金辐照硬化效应的作用是相反的,合金的硬度随着剂量的增大而升高,随温度的升高而降低,且由于CrMn0.3FeVCu0.06高熵合金中存在严重的晶格畸变和迟滞扩散效应,合金的辐照硬化效应对温度变化更敏感。     

低活化钢的氦离子辐照损伤行为

利用氦离子辐照研究了不同辐照温度下低活化钢的辐照损伤行为,采用透射电镜和纳米压痕仪测量和表征了辐照引起的缺陷组织和硬化效应,并分析了两者之间的影响关系。结果表明,氦离子辐照造成的组织变化主要包括气泡和M₂₃C₆相的粗化。气泡在晶界上发生聚集,辐照剂量越大,气泡密度越高;辐照温度越高,气泡尺寸越大、密度越低。辐照之后,低活化钢硬度提高,且辐照温度上升,硬化效应降低。辐照硬化值与缺陷组织的尺寸和密度相关,高密度的小尺寸气泡是氦离子辐照硬化的主要因素,辐照温度升高,气泡密度降低,辐照硬化减弱。