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

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。     

钨在核聚变反应堆中的应用研究

钨(W)是聚变实验堆及示范(DEMO)堆中面向等离子体材料(PFM)的首选。目前国际热核聚变试验堆(ITER)的偏滤器采用钨/铜结构;大型托卡马克如JET、ASDEX-U、WEST均进行了基于W-PFM的材料研发及应用。我国已具备研制类ITER钨/铜偏滤器的能力;成功升级的EAST上偏滤器为等离子体的长脉冲高约束运行提供了有力保障。未来DEMO堆的偏滤器及第一壁设计多基于W-PFM。W-PFM研究必须缓解或消除强流等离子体、高热流及中子辐照损伤问题。合金化/弥散粒子掺杂/纤维增韧是可能改变W-PFM热/力学以及抗辐照性能的有效手段;智能钨合金等亦具有发展前景。     

核聚变堆领域钨及其合金与异种材料连接技术

钨及其合金因具有熔点高、沸点高、真空蒸气压低、低的热膨胀系数、无毒、导热性能好以及低溅射率等特性成为未来聚变堆面向等离子体材料第一候选材料。为减少核聚变堆运行过程高能束流及辐射热对钨表面损伤,需要将钨与和热沉材料连接成一体,对钨进行主动冷却。钨及其合金与钢、铜及铜合金之间物理性能差异巨大,实现钨及其合金和异种材料的可靠连接是建造核聚变堆的关键技术。本研究从核聚变堆用钨及其合金与异种材料的特性出发,对钨及其合金与异种材料主要连接技术以及未来可能用到的技术进行了归纳总结,包括钎焊、扩散焊、激光沉积成型等技术,并结合实际工程应用需求,提出了对于钨及其合金与异种材料连接的未来展望,为后续研究提供相关参考。     

钨基材料强韧化技术的现状与发展趋势

开发受控核聚变能被认为是解决人类能源问题的重要途径。但在实际应用中仍存在许多难题,其中托玛卡克装置对第一壁材料具有很高要求。国内外一系列实验研究表明钨具有高熔点、良好的导热性和热冲击性、低热溅额等优点,是未来托卡马克聚变堆中最合适的面向等离子体第一壁材料。但是,钨作为将来工程化应用的面向等离子体材料,存在韧脆转变温度高、再结晶温度低以及聚变环境下高热流和高粒子流下的辐照损伤等问题。本文重点综述了从钨材料组成设计方面提高钨基材料强韧性方法的研究进展,包括合金化、纤维增韧、弥散强化及大塑性变形制备超细晶钨等手段,介绍了实现这些手段采用的材料组成设计、实验方法、作用机制、对钨基材料的改善效果及存在的不足,分析了未来钨基材料强韧化技术的发展趋势。     

高剂量氦离子辐照对新型中子增殖铍钨合金表面结构的影响

为了确保未来核聚变反应堆的氘氚自持燃烧必需采用中子增殖材料来得到合适的氚增值比。金属铍被认为是最有前途的核聚变反应堆固态中子倍增材料,但其熔点低,高温抗辐照肿胀性能差,因此需要寻找和研发具有更高熔点和更耐辐照肿胀的新型中子增殖材料以满足更先进的聚变堆要求。本研究尝试提出并制备了一种更高熔点的铍钨合金（Be₁₂W）,通过X射线和扫描电子显微镜对它的相组成和表面结构进行分析。对新型铍钨合金进行高剂量的氦离子辐照,发现合金表面一次起泡的平均尺寸约为0.8 μm,面密度约为2.4×107 cm?2,而二次起泡的平均尺寸约为80 nm,面密度约为1.28×108 cm?2。分析氦辐照引起的表面起泡及其机制,并与纯铍和铍钛合金表面起泡的情况进行了对比。      

核聚变堆用钨及钨合金辐照损伤研究进展

随着人们对能源的需求持续迅速增长,化石燃料等传统能源在可预见的未来即将枯竭,并带来严峻的环境问题。轻原子核核聚变反应产生的聚变能是解决人类能源问题的重要潜在途径。近年来对聚变堆的研究取得了显著进展,随之而来的材料问题逐渐成为一个现实难题,这是由于反应堆中的材料将面临苛刻的工作环境。钨(W)具有高熔点、高导热率、高密度、低的热膨胀系数、低蒸气压、低氚滞留、低溅射产额和高自溅射阀值等优异性能,被认为是今后核聚变装置最有前途的面对等离子体第一壁材料,但钨及钨合金由于脆性问题在未来聚变装置中的应用也面临着巨大的挑战,其中辐照缺陷的产生往往导致材料脆化,缩短部件服役寿命。这些缺陷还会与珍贵的聚变燃料(如氚)产生相互作用,导致严重的滞留和渗透问题。因此,研究钨及钨基材料的辐照损伤就显得非常有必要,通过材料成分/结构/组织的设计来延缓辐照缺陷的产生将具有非常重要的意义。本文对商用钨材料及先进钨合金材料(超细晶钨、W-Ta合金、弥散增强钨)的辐照损伤现状及最新研究进展进行了综合评述。     

PW和W-Zr-Y2O3耐氘等离子体辐照性能研究

利用东方超环(EAST)装置中的材料与等离子体评价系统开展了氘(D)等离子体辐照试验,考察多种钨(W)材料在D等离子体辐照前后的形貌变化与D滞留行为.材料分别为纯钨PW-AT、纯钨PW-BK和掺杂钨W-Zr-Y2O3,采用扫描电子显微镜(SEM)分析样品形貌变化,通过热脱附谱仪(TDS)对D滞留行为进行测量分析.SEM...     

合肥物质科学研究院在高性能纳米晶钨基合金研制方面取得进展

正近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员方前锋课题组在纳米结构钨基合金研制方面取得新进展,通过压力辅助低温致密化烧结法成功制备出高强度双纳米结构钨材料。钨基合金被认为是最有潜力的能够应用于聚变反应堆极端环境的面向等离子体第一壁材料,但商业纯钨的脆     

钨铜复合材料中钨的分析

采用稀硝酸-氢氟酸溶样,在硝酸介质中钨以钨酸沉淀存在从而与铜分离。用氢氧化铵将钨酸沉淀溶解,以钨酸铵灼烧重量法测定钨;以电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定滤液中的残余钨,二者之和为总钨量。此方法已用于测定钨铜材料中质量分数大于10%的钨,结果与认定值相符。     

钨条钾含量和钨丝抗下垂性能的研究

研究了钨条钾含量与钨丝抗下垂性能的关系。结果表明:钨条中有效钾含量在(50~80)×10-6之间时,钨丝具有良好的抗下垂性能;且钨丝的晶粒形状、组织结构、烧氢定形工艺均对其抗下垂性能有明显影响。     

弥散Y_2O_3的钨复合材料的研制及其应用

<正> 一、前言 钨具有高熔点、低热膨胀系数和低蒸气压,是高温能源设备领域,如核聚变反应堆分流器、加速器的束流收集器和磁硫体(MHD)发电机电极有用的材料。此外,钨还可望作为融化活性金属(如镧系和锕系元素)的坩埚材料,因钨对这些金属的饱和溶解度低[1]。 然而,烧结钨的晶界有择优为融化金属     

初始速率法研究仲钨酸铵晶体线生长级数

应用“初始速率法”研究了仲钨酸铵(APT)晶体的线生长级数。采用不同初始钨浓度下,APT成核期晶体线生长速率最大值(L·max)和平均线生长速率(L·)作为“初始速率”,测出的APT晶体线生长级数分别为0.93和0.79。     

微纳钨粉制备方法研究评述

难熔金属钨由于电子迁移抗力强、高温稳定性好以及电子发射系数高等优点，在半导体制造中被用于制备溅射薄膜材料的钨和钨合金靶材。微纳钨粉作为制造半导体用钨和钨合金靶材的重要原料，其性能影响半导体用钨和钨合金靶材的稳定性、薄膜沉积速率等性能，研究其合成方法具有重要的意义。综述了国内外微纳钨粉的合成方法，重点对氢还原法、碳氢还原法、高能球磨法、等离子体技术等在微纳钨粉合成领域的研究进行了综述，同时对酸沉淀法、循环氧化还原法、喷雾干燥法进行了简单的介绍，并对这些合成方法的优缺点进行了简单评述。在氢还原法中，突出介绍了不同种类钨原料在微纳钨粉合成中的应用；碳氢还原法中，重点介绍了添碳氢还原法和碳还原-氢还原两步还原法两种工艺路线，探究了C/WO₃比对两种工艺路线结果的影响；高能球磨法中，总结了球磨介质、球料比、过程抑制剂等球磨参数对球磨效果的影响；等离子体技术介绍中，总结了现有的钨原料在微纳钨粉中的应用情况。     

钨骨架湿氢烧结工艺研究

为了降低钨骨架的烧结温度和提高钨铜复合材料的性能,采用湿氢烧结工艺制备钨骨架,对湿氢烧结-熔渗法制备的W—15Cu钨铜材料性能进行研究,并对钨的湿氢烧结机理进行探讨。采用扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对钨骨架和钨铜复合材料的组织与成分进行观察与分析,并测定材料的密度、气密性、热导率和热膨胀系数（CTE）。结果表明：在1450℃下湿氢烧结2h,钨骨架发生较明显的烧结收缩和致密化。用该钨骨架制备的钨铜材料的各项性能均达到热沉材料的要求。湿氢烧结机理主要是在湿氢条件下,通过反复进行的氧化与还原使金属粉末表面形成激活能较低的新生态原子,从而使烧结温度降低。     

稀土钨电极研究与应用

介绍了近年对TIG(钨极惰性气体保护焊)和PLASMA(等离子体)焊接、切割用钨电极材料的研究进展和应用情况 ,着重对稀土钨电极材料及稀土氧化物作用等有关研究问题进行了讨论。对W -La2O3、W -CeO2、W -Y2O3 电极材料的热电子发射能力和稳定性研究表明 :在中小电流时2.2-wt%La2O3-W电极具有较好的电子发射能力和稳定性 ,钇钨和铈钨次之 ;在大电流工作时 ,钇钨电极热电子发射能力和稳定性最好。对制备的二元复合稀土钨电极(W -La2O3-Y2O3、W -La2O3-CeO2、W -Y2O3-CeO2)和三元稀土钨电极(W -La2O3-Y2O3-CeO2)的性能与单元稀土钨电极材料(W -La2O3、W -CeO2、W -Y2O3)和钍钨电极材料进行了比较。结果表明 ,复合稀土钨电极材料的焊接电弧性能优于单元稀土钨电极和钍钨电极。但它们的性能又各不相同 ,可适应交流焊、薄板和中厚板不同焊接工作的需求。研究表明、电极的使用性能强烈依赖于稀土金属氧化物。燃弧过程中它们的行为是影响电极使用性能、电极温度、逸出功和电极稳定性的最重要的因素。     

钨电极材料

<正> 随着现代科学技术的发展,钨极惰性气体保护焊(TIG)和等离子体(PLASMA)领域里正兴起自动焊接和高精密焊接、切割的新技术。同时,由于焊接母材的种类、规格、形状日趋繁多,对电极的材质及电孤特性提出更苛刻的要求。要求新型电极材料应具有低电阻率;高导热率;易起弧、良好的电子发射性;不喷溅;电孤特性不因工作中端部熔融变形和消耗而发生变化;有良好的抗蚀性和抗变形性。钨的熔点为金属之冠,而且电子发射性能好,以钨为基,掺杂一定量的电子逸     

氧化钇含量对W-ZrC复合材料显微组织和抗热冲击性能的影响

钨是聚变堆面向等离子体材料的主要候选材料,抗瞬态热冲击能力是其重要的服役性能。为了提高钨的抗热冲击性能,以W-0.5%ZrC复合材料为基体,采用放电等离子烧结制备了具有不同氧化钇含量的W-ZrC-Y复合材料,采用扫描电镜和透射电镜对氧化钇含量与晶粒组织之间的关系进行研究,通过显微硬度和抗弯强度测试对不同氧化钇含量样品的力学性能进行比较,采用高能电子束对其瞬态热冲击行为进行测试。结果表明,钇添加含量为0.5%时,所制备的复合材料具有最为均匀的细晶组织,其弯曲强度最高,同时具有最高的抗瞬态热冲击开裂阈值。     

Nd(III)在NaF-KF熔盐钨电极上电化学行为

钕铁硼磁体中稀土元素钕占据较大比重,从钕铁硼废料回收稀土有重大意义。为进一步了解钕在高温下氟化物熔盐的行为,本文在1 063 K采用NaF-KF(摩尔比2:3)电解质体系,加入质量分数为1%的NdF₃,以Pt为参比电极,钨棒为对电极,用循环伏安法等电化学暂态测试研究了Nd(III)在惰性钨电极上的电化学过程,探究Nd(III)的还原机理。结果显示:Nd(III)于NaF-KF-NdF₃熔盐中在惰性钨电极上的电化学还原过程是受扩散控制的不可逆的一步反应:Nd(III)+3e-=Nd,1 063 K时循环伏安法得到Nd(III)的扩散系数为2.107×10-5 cm2/s,钕的成核机制为瞬时成核。      

惰气脉冲熔融红外吸收法测定钨合金中氢

钨合金烧结过程引入微量氢对材料性能危害较大,实验利用惰气脉冲熔融红外吸收法测定钨合金中氢。对分析功率、称样量、助熔剂及其投入方式等进行优化,确定选用U型厚石墨坩埚,分析功率为4.0kW,称样量在0.20～0.50g之间,将镍助熔剂直接加入坩埚除气后(下浴料)再将被测钨合金试样投入坩埚中的方式,可有效降低由载气、石墨坩埚、炉膛空白,特别是助熔剂引入的干扰。以钢铁参考物质建立氢校准曲线,线性相关系数为0.999 0;检出限为0.15μg/g。进行钨合金中氢的精密度试验,氢分析结果的相对标准偏差(n=6)均不超过8.4%,对氢含量较高的3种钨合金混合粉进行加标回收试验,回收率为94.4%～105.6%。     

ZrNi基储氢合金表面化学镀钯膜的动力学机制

采用低压吸氢材料吸收产氚装置尾气中微量的氚是捕捉氢同位素的有效方法, ZiNi基吸氢合金(Ti_(0.1)Zr_(0.9)Ni_(0.6)Co_(0.4))低压循环吸氢性能良好,是一种有希望得到广泛应用的氚处理材料。采用化学镀方法在ZrNi基储氢材料表面制备一层致密钯膜可使材料在吸氢的同时,阻挡杂质气体(O_2, N_2)与基体的结合,是氚处理材料表面抗毒化改性的一个重要研究方向。以"敏化-活化"法为化学镀钯前处理工艺,通过超声清洗的方式改善了镀覆基底催化层分布状态,以此为基础进行钯膜镀覆,得到了致密均一的钯膜层。通过扫描电子显微镜(SEM)观察不同处理方式得到的活性催化层形态和不同镀膜反应时间得到的膜层形貌,分析钯膜生长的动力学机制符合"半球面自催化沉积"固/液相反应动力学模型。这对于获取致密均一,厚度适中的抗毒化钯膜层具有重要意义。