高热负荷作用下钨基材料损伤行为的研究进展

钨具有优异的理化性能使其成为面对等离子体材料的备选材料之一。对钨基材料高热负荷作用下的损伤行为进行了比较和分析。详细介绍了轧制态钨、再结晶态钨、W-La_2O_3、W-TiC、W-ZrC、W-Ta和W-V材料在不同高热负荷条件下的损伤行为,讨论了损伤机理,并指出了尚需研究的若干关键问题。     

核聚变装置中钨材料损伤行为的研究进展

轻核聚变反应产生的核能是解决能源问题的有效途径。但核聚变堆中材料的工作环境苛刻,钨凭借其优异性能成为今后核聚变装置中最有前途的备选材料,然而纯钨用于聚变堆时,存在韧脆转变温度较高、再结晶温度低、辐照硬化和脆化以及难加工等问题。因此,引入钨基材料以达到解决上述问题的目的。在此基础上,介绍了钨和钨基材料在等离子体辐照、高热负荷以及高能中子辐照作用下的损伤行为,讨论了损伤机理,并指出了尚需研究的若干关键问题。     

聚变反应堆钨基等离子体材料研究进展

钨基材料具有高熔点、高热导率、蒸气压低、氚滞留量低等优良性能,成为具有广阔应用前景的面向等离子体材料。由于其低温脆性、再结晶脆性和辐照损伤等方面的不足,限制了其在工程上的应用,成为国际核聚变材料界的研究热点。本文综述了钨基面向等离子体材料的研究现状,阐述了钨材料在4类粒子辐照下所引起的损伤和当前钨材料改善性能常用的4类手段,并对当下钨材料还需解决的问题进行探讨。     

掺杂合金元素面向等离子体钨基材料的研究现状与发展趋势

钨基复合材料因其优良的性能逐渐取代碳基材料和铍等,成为最有可能应用于国际热核聚变实验堆中面向等离子体材料,但其存在低温脆性、再结晶脆化、辐照脆化和燃料粒子滞留等问题。目前,主要是从合金化、第二相颗粒弥散强化以及制备超细晶(UFG)/纳米晶钨基材料等方面来改善钨及其复合材料的性能。合金化是最常用的改善合金性能的手段之一,合金元素或扩散溶解于钨基体中,或作用于缺陷和杂质,改变钨基材料的组织结构从而提高其性能。综述主要介绍合金元素在钨合金中性能提升和作用机理,同时也指出合金元素改善钨合金性能方面存在的问题、可能的改善措施以及未来的发展趋势。     

钨涂层面对等离子体材料损伤演变行为

利用等离子体喷涂技术制备了钨涂层面对等离子体材料,并对涂层基本性能进行了表征,主要包括气孔率、相对密度、结合强度、热导率、硬度分布,进而研究主动水冷钨涂层在热负荷服役条件下的损伤演变行为。研究发现,直接水冷钨涂层内部层与层之间的开裂、分层是涂层失效的原因,损伤演变过程为柱状晶体再结晶并长大、层间微裂纹出现、裂纹扩展和气孔出现、最后材料分层、失效。间接水冷钨材料的热负荷性能受到很大限制,且疲劳性能降低,失效形式是涂层开裂或脱落,甚至铜基体整体熔化。     

基于弥散强化钨基面向等离子体材料研究进展

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。     

钨涂层面对等离子体材料损伤演变行为研究

利用等离子体喷涂技术制备了钨涂层面对等离子体材料,并对涂层基本性能进行了表征,主要包括气孔率,相对密度,结合强度,热导率,硬度分布,进而研究主动水冷钨涂层在热负荷服役条件下损伤演变行为。研究发现,直接水冷钨涂层内部层与层之间的开裂、分层是涂层失效的原因,损伤演变过程为柱状晶体再结晶并长大、层间微裂纹出现、裂纹扩展和气孔出现、最后材料分层、失效。间接水冷钨材料的热负荷性能受到很大限制,且疲劳性能降低,失效形式是涂层开裂或脱落,甚至铜基体整体熔化。     

核聚变等离子体喷涂钨涂层瞬态高热负荷损伤行为

在铜基体上利用等离子体喷涂技术制备了钨涂层面对等离子体材料,分析了喷涂功率对涂层致密性、传热性能、表面粗糙度等性能的影响,利用Nd∶YAG激光器对等离子体喷涂钨涂层瞬态高热负荷作用下的损伤行为进行研究。研究发现,瞬态高热负荷仅在涂层表面传递,涂层破坏主要发生在表面,涂层内部没出现明显损伤。损伤演变行为是:表面局部熔化、微裂纹形成,熔区扩展并向外挤压熔化的钨涂层、主次裂纹出现,涂层加热区沸腾并伴随蒸发、溅射现象。     

扩散阴极用多孔钨基体材料的评述

本文梳理了扩散阴极对钨基体材料孔隙特性的设计要求。以其制备为主线,介绍了钨粉预处理、钨粉成形、钨压坯烧结、多孔钨渗（去）铜、钨骨架的热等静压及深冷加工;最后总结了钨基体材料的性能表征手段。阴极用钨粉等离子球化、挤压或注射成形是未来的发展趋势;钨骨架的热等静压改性有助于高可靠和长寿命;多孔钨的深冷加工是一种可持续的先进加工方法,有望实现钨基体的短流程制造。     

钨涂层及氧化镧合金面对等离子体材料研究

介绍了等离子体喷涂钨涂层和粉末冶金钨氧化镧合金面对等离子体材料的制备,并对其进行了性能分析,主要包括微观结构、杂质含量、气孔大小及气孔率分布、结合强度、热导率以及热负荷疲劳性能和承受能力。结果表明:真空等离子体喷涂钨涂层性能比大气喷涂钨涂层性能优越,是更为合适的钨涂层制备技术。真空喷涂钨涂层具有较低的气孔率、较高的热导率、较低的杂质含量和较优异的热负荷性能,能够承受10 MW/m²、100周次疲劳测试。氧化镧弥散掺杂相具有钉扎作用,能够抑制钨烧结过程中的长大,有效提高钨材料强度,改善热负荷性能,W-1%La₂O₃(质量分数)材料能够承受6MW/m²的热负荷。     

铜基体上等离子体喷涂钨涂层性能研究

介绍了铜基体上等离子喷涂1 mm钨涂层核聚变试验装置壁材料的制备,并对真空和大气等离子体喷涂钨涂层性能进行了比较研究,内容主要包括微观形貌、气孔率、杂质含量、结合强度和热负荷性能.结果表明,气孔率和氧杂质含量差异是大气和真空等离子体喷涂钨涂层热负荷性能差异的主要原因.     

聚变堆偏滤器钨涂层研究进展

钨涂层是最有希望的聚变堆偏滤器高热负荷面对等离子体材料。系统总结了钨涂层材料、连接及其制备研究进展,分析了钨涂层材料及其与热沉连接存在的问题,提出了偏滤器高热负荷面对等离子体钨涂层铁素体钢热沉材料(W/ODS)连续制备的发展方向,分析了钨涂层制备方法的优缺点,指出了电子束物理气相沉积(EBPVD)方法连续制备大面积的、显微结构可控的W/ODS的研发方向。     

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。     

钨表面形貌控制及其在循环热载荷作用下的热疲劳性能

钨作为聚变装置中的壁材料在各种循环热载荷作用下的热疲劳行为是一个重要的问题。采用电子回旋共振(ECR)等离子体系统在多晶钨表面进行形貌控制实验,然后采用电子束对抛光和具有一定表面形貌的样品开展循环热载荷实验。结果表明,表面形貌对在循环热载荷下发生的循环塑性变形造成的损伤特征影响很小,在300次循环热载荷下某些晶粒中形成了微裂纹及挤出片结构,它们在不同晶粒中按着某一特定的方向平行排列。此外,在不同条件下通过等离子体刻蚀在钨表面制备了不同的三棱锥状和均匀的纳米结构。对损伤区域的截面进行了分析并给出了在循环热载荷下这种结构形成过程的示意图。     

金属W中辐照缺陷的产生、演化与热回复机制

金属W是核聚变反应堆中面向等离子体部件的主要候选材料。服役期间,钨部件需要承受高温、高通量聚变反应中子轰击带来的辐照级联损伤。这些损伤主要表现为高浓度的点缺陷及团簇。它们与氢氦等离子体、嬗变反应的多种产物相互作用,导致辐照硬化、韧脆转变温度升高、导热能力下降等问题。本文围绕金属W的辐照级联损伤,基于显微缺陷实验表征与材料多尺度模拟计算,系统总结了辐照缺陷的产生、演化与热回复行为及作用机制。这些信息反映了材料中辐照缺陷特征的统计规律,构成定量描述微观损伤组织随时间尺度与空间尺度变化的依据,有利于钨部件性能的预测、服役可靠性评价以及未来新型材料部件的研发。     

不同界面对等离子喷涂钨结合强度的影响

在无氧铜的基体上制备了等离子喷涂钨基涂层以应用于核聚变反应堆中偏滤器部件的面向等离子体材料。比较了不同过渡层对等离子喷涂钨基涂层结合强度的影响。采用扫描电镜和能谱分析仪对涂层的微观形貌和组成进行了观察和分析。发现在涂层中和铜结合的界面比较疏松，而和钨结合的界面则较为致密。拉伸试验结果表明，和其他样品相比，室温下没有过渡层的钨涂层界面表现出较高的结合强度。     

大气与真空等离子体喷涂钨涂层的比较

利用等离子体喷涂技术在铜合金基体上制备1mm的钨涂层,并对大气和真空等离子体喷涂钨涂层性能进行比较。结果表明,真空喷涂钨涂层气孔率低、传热能力高、杂质含量低、结合强度高,热负荷性能好。与大气等离子体喷涂钨涂层相比,真空喷涂技术更适合应用到核聚变实验装置内壁上。     

核聚变堆用W及其合金辐照损伤行为研究进展

受控热核聚变能作为一种清洁且原材料丰富的终极理想能源,被认为是未来能够有效解决能源问题的主要途径。而在实际聚变反应过程中,面向等离子体材料(plasma facing materials,PFMs)需要面临极其苛刻和恶劣的环境。W及其合金是目前最具有应用前途的PFMs的候选材料,但由于其低温脆性、再结晶脆性和辐照脆化等性能方面的不足,还不能达到PFMs的使用要求。本文对W及其合金在不同辐照粒子下的损伤行为的机制进行了详细阐述,并对相关领域近年来的研究进展进行了综合评述和展望,旨在为后期钨基材料辐照方面的研究提供参考。     

Cu/W-Ni-Co/Ni多中间层的钨/钢扩散连接

采用铜箔/90W-5Ni-5Co(质量分数,%)混合粉末/镍箔复合中间层,在加压5 MPa、连接温度1120℃、保温60 min的工艺条件下,对纯钨(W)和0Cr13Al钢进行了连接。利用SEM、EDS、电子万能试验机及水淬热震实验等手段研究了接头的微观组织、成分分布、断口特征、力学性能及抗热震性能。结果表明,连接接头由钨母材、Cu-Ni-Co合金层、钨基高密度合金层、镍层、钢母材5部分组成。接头中的钨基高密度合金层由90W-5Ni-5Co混合粉末固相烧结生成,其Ni-Co粘结相和钨颗粒相冶金结合且分布均匀。钨基高密度合金层与钨母材以瞬间液相扩散连接机制实现了良好结合。接头剪切强度达到286 MPa,断裂均发生在钨基高密度合金层/镍层结合区域,断口形貌呈现为韧性断裂。经过60次700℃至室温的水淬热震测试,接头无裂纹出现。     

铜基体上爆炸喷涂钨涂层及其电子束热负荷实验研究

详细介绍了爆炸喷涂法在铜基体上制备钨涂层.磁约束核聚变面对等离子体材料要求有承受较高热负荷的性能,电子束辐照热负荷实验发现:0.3 mm的钨涂层可以承受5.13 MW/m2的热通量;在2 MW/m2、20s脉冲的条件下,样品能承受300周的疲劳而没出现破裂现象,且距离表面5 mm处铜基体的温度在70°C左右;5 MW/m2、2 s脉冲的条件下,样品可承受95周热疲劳,且距离表面5 mm处铜基体的温度不高于200°C.钨铜的热膨胀系数和杨氏模量相差很大,在加载热通量过程中,界面处产生应力,这将影响材料的耐热冲击性能,但爆炸喷涂仍然为制备核聚变较低热通量区域面对等离子体材料的一种参考方法.