高热/粒子流作用下钨材料的损伤行为研究

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钨材料作为聚变堆装置中面对等离子体材料(PFMs)的重要候选材料,其在高热/粒子流作用下的损伤行为,不仅关系到材料的使用寿命,还会影响等离子的稳定性及装置的安全性,因此研究钨材料在高热/粒子流作用下的损伤行为,具有重要的科学价值及工程意义。本文利用高热负荷设备GLADIS及高能电子束设备JUDITH1,模拟聚变堆中典型的高热负荷及粒子辐照条件,对钨材料的损伤行为规律及机理进行了研究。通过对钨在垂直位移模式(VDE)高热负荷作用下的再结晶及晶粒长大行为的研究表明,高热负荷作用下钨的再结晶温度显著升高、再结晶过程明显加快、再结晶晶粒尺寸明显细化。随着最高表面温度升高,钨的再结晶晶粒尺寸增大,抗拉强度降低,抗热冲击性能下降,在边界局域模(ELM)循环热冲击作用下易发生表面开裂损伤。去除表面应力或提高基底温度至韧脆转变温度以上,可以有效改善再结晶钨的抗热冲击性能,避免/缓解表面开裂损伤。当基底温度较高时,粗大的再结晶晶粒在ELM循环热冲击作用下发生塑性变形的同时还伴有动态再结晶,最终形成粗糙的表面形态及细小的动态再结晶组织,使得表面硬度有所升高,性能得到了一定的恢复。通过对钨在VDE高热负荷作用下熔化刻蚀行为的研究表明,熔体运动及再分布造成了材料的严重损伤,熔体中气泡的沸腾引起了熔滴的溅射,并导致熔体冷却后形成了疏松多孔的凝固组织。通过对氧化镧掺杂钨(W-1wt%La2O3)熔化行为的研究表明,La2O3的加入改变了熔体的运动规律,抑制了熔体中的气泡沸腾。通过检测蒸气的化学成分,分析凝固组织的显微结构特征,揭示了钨熔体中气泡沸腾的机理,并深入分析了第二相La2O3对气泡沸腾的抑制机理。针对钨的熔化再凝固组织,对其在高热流He粒子辐照过程中的表面损伤行为进行了研究,实验结果表明,随着最高表面温度及粒子注量的增大,表面损伤深度不断增加,但小于未熔化表面的损伤深度;表面损伤形态由气泡状结构不断演变为孔洞或绒毛状结构,且损伤形态与晶粒的晶体取向有着密切的关系。
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