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

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.

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。

新型钨基面向等离子体材料的研究进展

纯钨应用于聚变堆中面向等离子体材料具有难加工、高的韧脆转变温度、低的再结晶温度等缺点,而钨基材料是一类具有广阔应用前景的面向等离子体材料,受到国内外的广泛研究。综述了采用氧化物颗粒弥散强化、碳化物颗粒弥散增强、合金化增强钨基材料和钨基复合材料等强化手段制备新型钨基面向等离子体材料的近年研究进展。采用相应的增强方法可使得钨基材料某些方面的性能得到提高,如显著提高抗弯强度、硬度和断裂韧性,具有较好的抗腐蚀性、延展性和抗冲击力等优点,但是在承受大的工作热负荷时,钨基材料仍会失效,尚需要继续进行相关材料的工艺、性能研究。

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/石墨烯/钨和钨/石墨烷/钨面向等离子体材料的 抗辐照和力学性能: 第一性原理计算

设计了钨/石墨烯/钨和钨/石墨烷/钨纳米层状复合材料作为热核聚变装置面向等离子体材料,利用第一性原理计算对氦原子填隙和钨空位形成能以及力学性质进行分析.计算结果表明,石墨烯和石墨烷能够捕获钨基金属中的氦填隙原子和钨空位结构缺陷,钨/石墨烯或钨/石墨烷界面可以提供钨自间隙原子与钨空位复合位点,两种纳米层状复合材料具有\自修复"性能.基于Fukui函数,可认为上述特性与钨/石墨烯或钨/石墨烷界面钨原子位点反应活性的变化有关.另外,石墨烯可以提高钨基金属的延展性,降低其各向异性.

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。

面向等离子体钨基材料的辐照损伤行为研究现状

解决人类能源问题的重要途径之一就是开发受热控核聚变能。在受热控核聚变反应堆装置中,钨作为优选最有前途的面向等离子体第一壁材料,具备这许多优良特性,如高熔点、高热导率、良好的高温强度等。然而钨基材料在离子中子辐照下会导致微观结构的改变,例如气泡、孔洞、纳米结构的形成。辐照还会导致材料硬化并使材料变脆。钨的辐照损伤问题是钨作为面向等离子体第一壁材料要重点解决的问题之一。通过改变材料的结构和成分设计可以改变钨的抗辐照性能。国内外许多研究人员对纯钨、碳化物掺杂钨、氧化物掺杂钨以及其他钨基材料的辐照损伤行为进行相关研究。对这些相关的研究进展和趋势进行综述。

聚变堆面向等离子体钨基材料的研究进展

聚变堆面向等离子体材料问题是聚变能商业化应用亟待解决的关键工程问题之一。为应对纯钨材料作为等离子体材料在力学、热学及抗辐照损伤等方面的性能不足,通过添加其它组元形成的钨合金及复合材料成为了近年来聚变堆材料领域尤为关注的研究热点。本文对目前钨基面向等离子体材料的研究进展进行了综述,简要评述其堆服役性能及强化机理,并在此基础上展望该材料未来的研究发展趋势。

聚变堆装置中面向等离子体材料钨涂层的研究进展

钨具有高的熔点、不与氚发生共沉积、与等离子体好的兼容性和低的腐蚀率等优点,是最有前景的一种面向等离子体材料。为了解决面向等离子体材料的制备及其与热沉材料连接问题,涂层技术在实验聚变堆装置中得到广泛应用。评述了目前实验聚变堆装置中面向等离子体材料钨涂层的研究进展。

超细晶/纳米晶钨——未来聚变堆面向等离子体材料

钨为未来高参数准稳态运行聚变堆最有前景的面向等离子体材料。超细晶/纳米晶结构有可能提高钨材料的热力学性能和抗粒子辐照性能,因而成为一个很有前途的研发方向。深度塑性变形和粉末冶金均已在制备超细晶/纳米晶钨方面开始了初步探索,深度塑性变形的等通道角挤压法因能制备致密度高、韧脆性能优异、大尺度的块体超细晶/纳米晶钨,极有可能在钨基面向等离子体材料制备方面取得突破。

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。

钨基面对等离子体材料的制备和性能

利用等离子体喷涂技术和弥散增强粉末冶金方法制备钨基面对等离子体材料,并对其基本物理属性进行了分析,包括气孔率及其分布、硬度、抗弯强度、结合强度。同时,利用电子束实验装置对钨基复合材料高热负荷性能进行了研究。研究发现,VPS-W涂层能够承受10MW/m^2、100s的热负荷沉积,涂层开裂、分层是其失效原因;TiC和La2O3弥散相增强了钨基复合材料性能,在表面温度控制在1500℃以下可作为面对等离子体材料。

核聚变堆面向等离子体钨基材料氢氦效应的第一性原理研究

钨基材料以其高熔点、高导热率、良好的抗中子辐照和抗溅射腐蚀等优异性能,被视为未来核聚变装置中最有前景的面向等离子材料.在聚变服役环境下,14Me V的高能中子以及低能氢/氦粒子流对钨基材料造成严重的辐照损伤.研究材料的辐照损伤与氢氦效应机理对揭示辐照引起材料微观结构与性能的变化以及探索开发新型抗辐照材料具有重要的意义.近年来,随着计算模拟技术的发展,多尺度模拟方法在聚变堆材料辐照损伤与氢氦效应机理研究方面有着广泛的应用.本文主要结合作者近几年的研究实践,介绍了第一性原理方法在钨中氢氦效应机理方面的一些进展,揭示了钨中基于空位和杂质的氢/氦泡级联成长机制,建立了过渡族合金元素与辐照点缺陷以及与氢/氦相互作用数据库,从而为高性能钨基材料合金化元素的筛选及其制备实践提供理论指导.

核聚变堆面向等离子体含钨高熵合金材料研究现状与发展趋势

随着自然资源的日益匮乏,核聚变能被认为是解决未来能源问题的最有效途径之一。但在核聚变的实际应用过程中,面向等离子体材料(PFM)是严重制约其发展的一个关键要素。钨作为未来核聚变装置中最有前景的PFM候选材料,具有低温脆性、高韧脆转变温度和辐照脆化等性能方面的不足,极大地限制了其在聚变堆中的应用。为应对纯钨材料作为等离子体材料的不足,添加其他多种组元形成的含钨高熵合金成为聚变堆面向等离子体材料研究领域的热点。本文针对目前含钨高熵合金材料的研究进展进行了综述,并对未来含钨高熵合金材料在聚变领域的研究和发展方向进行了展望。

嬗变元素Re、Os对聚变装置面向等离子体钨材料性能的影响

钨(W)由于具有高熔点、高密度、低热膨胀系数、低氚滞留、低溅射产额等优异性能,被认为是最有潜力的聚变装置面向等离子体材料。氘氚聚变反应产生的14 MeV中子会导致W中嬗变元素铼(Re)、锇(Os)的产生,随着服役时间的延长,嬗变元素不断累积。这两种嬗变元素的产生势必会影响到W材料的微观组织结构,进而对W材料的性能产生影响。本文全面介绍了W嬗变元素Re、Os对聚变装置面向等离子体W材料的关键服役性能的影响,包括对力学性能、抗辐照性能、热学性能以及钨中氢同位素输运行为的影响。结果表明,W嬗变元素Re、Os能对W材料的性能造成较大的改变,但目前相关的研究都不够系统化,未来还需进行更为系统的研究来全面地对中子辐照条件下聚变装置面向等离子体W材料的性能进行评估。

面向等离子体ODS-W复合材料的制备工艺

向钨中添加稀土氧化物能显著细化晶粒和提高钨合金的高温稳定性,且具有弥散强化效应,在抑制晶粒长大、控制再结晶晶粒的形状以及提高材料的力学性能方面效果显著。从制备稀土氧化物弥散强化钨基复合材料(ODS-W)粒子方法出发,阐述了几种ODS-W制备工艺的研究现状并对其发展趋势进行展望。

面向等离子体W/Cu FGM的抗热冲击性能

采用循环水淬和脉冲激光冲击法并结合有限元计算考察和分析了用超高压梯度烧结方法制备的W/Cu FGM的抗热震性能.结果表明,W/Cu FGM经受50次800℃～25℃水淬冲击和100 MW/m2以上的激光循环冲击,没有出现界面破坏现象;但随着热冲击次数及冲击能量密度的增加,金属W表面产生了裂纹、晶间断裂以及出现液相及蒸发现象.与非梯度材料相比,W/Cu FGM有优异的抗热冲击性能,大致可以经受100 MW/m2 350次以上的激光循环冲击.

用钨和低Z面积等离子体材料的托卡马克性能的比较

为了优化等离子体芯部性能和能够进入大的运行空间，目前在聚变装置中使用石墨材料。对于这些面向等离子体材料运行存在的物理学数据库，这些材料也表明在未来的装置中它们的用途是延长燃烧时间。边缘和偏滤器区的碳杂质辐射明显有助于降低撞击区的峰值功率负载，但是碳辐射也支持进入高密度的MARFE不稳定性的形成。对石墨的主要担心是它与氢有强的化学亲和力，这导致化学腐蚀和富氢碳层的形成。这些碳层能存贮总氚燃料的大部分，在未来的氚装置上这也许会禁止使用这些材料。从这点来说，高Z面向等离子体材料有多得多的优势，但是如何这些材料进入等离子体芯部，这些优质将和等离子体的毒化对抗。在几个装置上已获得高Z壁材料的新的有前途的经验。关于这些经验，本文给出了综述并研究了未来研究和发展工作中有待解决的问题。

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。

核聚变堆用钨及钨基材料热负荷损伤行为的研究进展

聚变堆在运行过程中面对等离子体钨基材料需要承受住一定次数稳态和瞬态热负荷的冲击而不发生开裂以及熔化等损伤。对商业钨在不同测试手段下热负荷的损伤行为进行了分析,阐述超细晶粒钨、合金化、掺杂碳化物以及稀土氧化物等改性手段对钨基材料热负荷性能的影响;对面对等离子体钨基材料热负荷损伤行为进行了总结与展望。