钨面对等离子体材料表面喷丸强化性能分析

核聚变面对等离子体材料表面损伤、失效是其服役寿命的主要影响因素,利用喷丸技术增强钨面对等离子体材料表面性能。以纯钨为被喷丸强化材料,选择0.5 mm不锈钢丸料,在0.4 MPa喷丸压力、100 mm喷丸距离的喷丸参数下,研究不同喷丸时间(30,60,120,240 s)对钨材料表面增强效果,主要包括微观组织形貌和粗糙度、表面硬度及其分布、表面残余应力等。结果显示喷丸对钨表面造成损伤,喷丸弹坑直径约20μm;表面粗糙度较原试样有所提高,但增加幅度不明显,不影响钨作为面对等离子体材料的性能;钨表面硬度从原试样的362HV_(0.2)提升到480HV_(0.2),提升幅度达31%,硬化区厚度约40~50μm;表面残余压应力提高到800 MPa,是原试样的5.9倍。喷丸技术能有效增强钨面对等离子材料的表面强度,提高钨疲劳性能,延长服役寿命。

La_2O_3弥散增强钨合金面对等离子体材料及其高热负荷性能

本论文通过粉末冶金方法制备La2O3弥散增强钨合金面对等离子体材料并对其进行了组织性能和电子束热负荷性能的分析。结果显示La2O3弥散增强相抑制钨粒子长大效果显著,而且使W-1wt.%La2O3合金材料的抗弯强度提高了约35.7%。同时,W-1wt.%La2O3也表现出较好的热负荷性能,能够承受6MW/m2热负荷功率密度;在更高热负荷条件下,较高的表面温度导致La2O3出现熔化及W-1wt.%La2O3合金材料表面出现微裂纹等损伤,因此面对等离子体材料直接水冷对延长材料使用寿命和提高热负荷性能是十分重要的。

W-TiC合金面对等离子体材料及其电子束热负荷实验研究

利用机械合金化方法制备各种W-TiC合金,并通过主要物理性能测试发现:TiC的引入能有效强化晶界,提高合金材料的力学性能,特别是W-1%TiC(质量分数,下同)合金,其相对密度、抗弯强度、维氏显微硬度和杨氏模量分别为98.4%、1065MPa、4.33和396GPa。同时电子束热负荷实验发现:在低于合金再结晶温度时,TiC能有效增强合金热负荷承受能力;然而较高的晶粒应变能导致合金材料在再结晶温度以上使用时,热负荷性能增强效果不明显。这些结果显示,约1%TiC弥散增强钨合金是较合适的托卡马克高热负荷面对等离子体材料。

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。

核聚变钨铜面对等离子体材料研究

介绍了钨用作核聚变面对等离子体材料的制备技术以及钨材料的微观结构以及基本性能,包括真空/大气等离子体喷涂钨涂层,超高压电阻烧结技术制备W/Cu梯度材料,粉末冶金TiC、La_2O_3弥散增强钨合金材料。研究发现,钨涂层柱状晶结构能有效地增强整体系统传热,涂层气孔率7.4%、与基体结合良好、热导率80 W/(m·K),能够承受10 MW/m^2的稳态热负荷;5层W/Cu梯度材料无裂纹、孔洞等缺陷存在,表现出优异的热力学性能;La_2O_3和TiC在钨合金中起到"钉扎"作用,大大改善了钨材料晶界力较小,脆性等缺点,提高了冶金材料的性能。

钨涂层面对等离子体材料出气性能的研究

钨由于高熔点、低溅射率等优点而被广泛的认为是最有希望的核聚变装置面对等离子体材料。然而考虑到等离子体约束和边界气体再循环,钨涂层面对等离子体材料在真空中的出气性能的研究是十分重要的。研究结果显示钨涂层主要出气种类为H2,H2O,O2,CO/N2和CO2。在300℃、经过4小时的烘烤,涂层出气率有明显的降低,特别是H2O和CO/N2;继续烘烤对涂层出气率改善效果不显著,因此真空等离子体喷涂钨涂层在用作面对等离子体材料时,仍需要烘烤、放电清洗等壁处理手段。

钨用作核聚变装置面对等离子体材料可行性分析

通过与碳材料比较,分析钨作为核聚变面对等离子体材料的可行性。研究结果显示,钨是最有前景的面对等离子体材料,氢及其同位素滞留量小、热能和粒子反射率高、溅射率低、杂质聚集可控等,除此之外,钨具有熔点高、热力学性能优异等优点。

聚变装置钨涂层面对等离子体材料的性能(英文)

对铜基体上真空等离子体喷涂1mm的钨涂层进行了分析研究,主要包括微观结构、热力学属性以及成分分析。结果显示,钨涂层气孔率仅为7.6%,室温热导率达到79.7W/(m.K),W/Cu结构界面结合强度高达45MPa,这些结果对钨作为聚变装置面对等离子体材料的应用是令人鼓舞的。涂层材料的出气性能也是面对等离子材料的一个重要指标,钨涂层出气气体种类主要是氢气和水蒸气。而且在300℃经过4h高温烘烤后出气率大幅度降低,更长时间的烘烤则对出气率影响不是太明显。因此可以看出钨涂层作为聚变装置面对等离子体材料的应用是可行的。

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/m^(2)、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%La_(2)O_(3)(质量分数)材料能够承受6MW/m^(2)的热负荷。

喷丸对面对等离子体材料钨表面强化研究

利用机械喷丸技术对核聚变面对等离子体材料钨进行表面强化研究。结合喷丸前后钨性能改善进行强化效果分析及喷丸参数的优化,强化效果分析主要包括微观形貌、晶粒细化、表面粗糙度、表面硬化和表面残余压应力等表征参数。其结果显示,对脆而硬的材料钨而言,在100%覆盖率情况下,0.3 MPa喷丸压力、0.4 mm陶瓷丸直径、100 mm垂直喷丸距离是比较合适的喷丸参数,材料表面性能提高显著。表面硬度提高达53.3%,残余压应力提高8.3倍,表面晶粒细化现象明显,而且对表面粗糙度影响不大,最高1.5μm左右。

W-Cu面对等离子体梯度热沉材料的制备和性能

采用粉末冶金法制备了W-Cu面对等离子体梯度热沉材料。对其显微组织、界面以及重要的热学、力学性能进行了研究。显微组织观察表明:截面成分呈梯度分布,并通过高温下元素的扩散,实现了组织的连续变化,层间没有明显界面;烧结后Cu形成了连续的网络结构,分布在W颗粒周围。W-Cu梯度材料的化学元素分布和热学、力学性能沿厚度方向呈梯度变化,材料整体的热导率达151.4 W.(m.K)-1。在800℃温差条件下,对材料分别进行抗热震和耐热疲劳实验。热震实验后,界面处未发现裂纹和开裂现象,表现出良好的抗热震性能。经过83次热循环冲击后,观察到了裂缝,并探讨了裂缝形成机制。

铜基等离子体喷涂钨涂层性能

阐述了钨涂层微观结构影响机理以及涂层性能。通过等离子体喷涂工艺参数及微观形貌分析涂层微观结构和参数对涂层性能的影响,工艺参数主要包括喷涂功率、喷涂距离、送粉气量等。结果显示钨涂层是由钨粒子熔融沉积平铺成"圆饼状"或"花瓣状"的单层叠加而成,单层呈现柱状晶微观结构,厚度约10μm、直径约50μm的"圆饼状"单层是状态比较好的涂层结构。钨粒子熔化状态、沉积速率以及喷涂环境决定了熔化粒子的沉积形貌;与大气喷涂相比,真空喷涂钨涂层气孔率低、传热性能和结合性能较好,适合作为面对等离子体材料的制备技术。

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。

SiC梯度涂层对掺杂石墨材料性能的影响

利用化学气相反应法对掺杂石墨材料进行了SiC梯度涂层,研究了SiC梯度涂层对掺杂石墨材料热力学性能以及微观结构的影响。获得了约100μm的SiC涂层,涂层后的材料导热性能下降,而机械强度有所增加。对涂层表面的物相成分分析表明,除了SiC之外,还有少量的单质Si。厚膜SiC梯度涂层的掺杂石墨材料在HT-7托卡马克装置中经等离子体放电实验后,SiC的颗粒形貌发生了明显的变化,涂层厚度下降到约30μm。

聚变材料研究的现状和展望

概要介绍了国际上聚变材料研究的发展趋势、有待解决的关键问题和创新概念以及国内聚变材料研究的状况。

聚变材料研究发展趋势

本文介绍了国际上聚变材料研究的发展趋势，有待解决的关键总是和创新概念：ＨＬ－２Ａ涉及的材料和国内聚变材料研究的状况。

钨在不同损伤程度氦离子辐照后的力学性能变化

采用不同能量和束流的氦离子对再结晶钨表面进行辐照试验,对辐照损伤分别为0.2,0.5,1.0 dpa下钨的微观形貌进行观察,并采用不同半径(1,5,10μm)球形压头对其进行纳米压痕试验,获得压痕应力-应变曲线,探究其力学性能的变化及原因。结果表明:不同损伤程度辐照后钨表面损伤层的厚度为554~558 nm;随着辐照损伤程度的加剧,钨中位错环密度明显增大;辐照后钨的压痕应力-应变曲线均未出现突跳现象,且随着辐照损伤程度的增加,屈服强度提高,压痕弹性模量基本保持不变,辐照后产生的位错环缺陷是引起钨力学性能发生变化的直接原因;钨的力学性能具有压痕尺寸效应,压头半径越小,钨的屈服强度越高,未辐照钨的压痕应力-应变曲线出现突跳现象时的压痕应力越大。

钨材料在瞬态高热流冲击下热结构响应过程模拟和分析

采用有限元分析软件ANSYS模拟了面对等离子体钨材料在聚变瞬态高热流加载和卸载过程中的温度和应力分布以及演化过程,并结合材料力学性能对热冲击开裂行为进行了分析和讨论。结果表明,在瞬态热流下,钨的单次热冲击开裂阈值约200MW·m^(-2)(~5ms)、460MW·m^(-2)(~1ms)和660MW·m^(-2)(~0.5ms),其临界热流因子(14.14~14.75MW·m^(-2)·s^(1/2))也基本一致。

2．8 新型多元掺杂碳基材料性能的研究

由于碳材料吸氚率太高和其化学溅射难于抑制到可接受水平，未来的聚变堆可能要用高原子序数的材料(如钨等)及液态金属自由表面系统；但在近期的聚变装置上仍以碳基材料为主导。碳基材料作为面对等离子体材料，目前关注的关键问题是：溅射腐蚀、辐照增强升华(RES)以及热导和吸氚率等。

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、20 s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。