【摘 要】
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聚变能被认为是未来能够解决能源问题的有效途径,但聚变堆走向商业实践还面临着诸多挑战,材料尤其是第一壁结构材料安全稳定性成为其中一大亟待攻克的难题。聚变堆极端运行环境会导致结构材料性能急剧退化进而影响其安全运行,其主要原因包括材料的辐照损伤以及与大量嬗变元素（He和H）相互作用、热演变导致材料内部肿胀、脆化和表面剥离失效。研究结构材料宏观性能退变的前提是探究其微观结构诱变机制,关键是阐明辐照缺陷形成
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聚变能被认为是未来能够解决能源问题的有效途径,但聚变堆走向商业实践还面临着诸多挑战,材料尤其是第一壁结构材料安全稳定性成为其中一大亟待攻克的难题。聚变堆极端运行环境会导致结构材料性能急剧退化进而影响其安全运行,其主要原因包括材料的辐照损伤以及与大量嬗变元素（He和H）相互作用、热演变导致材料内部肿胀、脆化和表面剥离失效。研究结构材料宏观性能退变的前提是探究其微观结构诱变机制,关键是阐明辐照缺陷形成、缺陷与氦相互作用过程及热力学行为。本文主要通过高能氦离子辐照钨及钨基合金（W-Re、W-Ni-Fe重合金）等金属/合金,采用正电子湮没谱学技术、透射电镜与扫描电镜表征不同温度、不同剂量辐照引入样品缺陷类型变化,探究各种辐照环境下缺陷与氦原子相互作用过程。此外,实验通过热时效与热脱附重点研究了不同基体相元素含量的钨重合金热疲劳以及微观缺陷与氦的热力学行为,进一步阐明材料表面纳米结构形成机理。本论文主要研究结果总结如下:1.不同温度氦离子辐照钨与W-5Re合金,结果表明温度是引起缺陷与氦原子相互作用发生变化的重要因素。室温辐照后样品产生大量的空位型缺陷,部分空位捕获氦原子形成较稳定的氦-空位复合体。随着辐照温度升高,部分空位回复,氦-空位复合体继续捕获氦原子然后往晶界处迁移。氦-空位复合体在进一步的热扩散过程中聚集形成氦泡,高密度的氦泡聚集在材料表面破裂形成多层孔状结构。研究发现空位在氦原聚集过程中起到载体作用,且高温辐照环境加剧了空位与氦原子结合以及氦泡扩散。此外,合金中第二相元素Re通过阻碍空位迁移延缓了空位与氦原子结合,进而在一定程度上抑制了氦泡前驱体的形成。2.不同温度氦离子辐照金属W与97W-2Ni-Fe重合金,结果表明空位缺陷成为氦原子的形核位点,空位在扩散过程中捕获氦原子形成较大尺寸HemVn复合体。低温辐照后两组样品中单空位回复,部分单空位捕获氦原子形成HemV1复合体团簇。较高温度辐照后样品中HemV1复合体继续捕获氦原子和空位形成HemVn复合体,且HemVn复合体往材料表面扩散。此外,较高温度辐照合金中微量元素Ni、Fe抑制空位迁移作用不明显。不同剂量氦离子辐照纯钨与97W-2Ni-Fe重合金,发现较低剂量(≤1×1017He/cm~2)两组样品辐照微观缺陷以空位类型为主且浓度变化不大;随着剂量增大(5×1017He/cm~2),样品级联碰撞区氦原子数量剧增,氦原子-空位比增大,空位在扩散过程中更容易捕获氦原子形成HemVn复合体,导致高剂量辐照样品内微观缺陷类型发生改变。3.不同温度退火研究97W-2Ni-Fe合金中缺陷与氦原子相互作用的热演化主要包括以下五个过程:（1）辐照空位缺陷与HemV1复合体在低温退火后较稳定存在。（2）部分空位回复,HemV1复合体继续捕获氦原子形成HemVn复合体。（3）HemV1复合体分解成空位与氦原子,氦原子继续扩散聚集。（4）HemVn复合体分解成空位和游离氦原子,氦原子聚集形成微小氦泡。（5）HemVn复合体充分瓦解,分解的氦原子被小氦泡继续捕获形成较大尺寸氦泡,且较大尺寸氦泡聚集在材料表面位置。氦泡在材料表面破裂形成多孔纳米丝状（fuzz）结构,该结构的主要成分为元素钨,其结构特点与合金中的基体相元素有关,分析发现fuzz结构差异是由于氦原子更容易与基体相中Ni、Fe原子结合,基体相高密度氦俘获点加速了氦泡成核,进而加剧了基体相中fuzz结构的生长。4.两组钨重合金（90W-7Ni-3Fe与97W-2Ni-Fe合金）不同时间热时效后表面形貌与硬度未发生明显变化,但基体相中存在微量Fe元素偏析。两组钨重合金氦脱附与辐照剂量及基体相元素含量相关,基体相中HemVnXy（X为Ni、Fe）复合体相比钨相中HemVn复合体分解温度更高,钨相中氦泡在相对较低温度逃逸,导致两组合金脱附后钨相中表面损伤更严重。
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