CN103088427A - 一种利用柱状晶抑制钨基面对等离子体材料起泡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用柱状晶抑制钨基面对等离子体材料起泡的方法，属于核聚变能源应用领域。所述的方法是在钨基面对等离子体材料表面制备柱状晶结构组织；所述的柱状晶为呈长条状的晶粒，并且其长轴按照垂直于表面的择优取向分布。制备柱状晶结构组织采用磁控溅射方法、化学气相沉积方法或者熔盐电化学沉积方法。本发明充分利用了柱状晶垂直于表面排列的结构，使得氢、氦可以沿着垂直于表面的晶界快速扩散，返回到等离子体中，是柱状晶钨材料应用于抗辐照起泡的一个新的应用。

Description

一种利用柱状晶抑制钨基面对等离子体材料起泡的方法

技术领域

本发明属于核聚变能源应用领域，具体涉及一种利用柱状晶抑制钨基面对等离子体材料起泡的方法，该发明适用于具有氢、氦及其同位素的等离子体辐照环境中，作为核聚变装置中钨基面对等离子体材料的晶粒组织。

背景技术

现有化石能源储量的日渐消耗，核裂变能源形式存在着安全和环境等问题；而核聚变能源不仅其资源储量极其丰富，并且与裂变相比无放射性，非常安全，因此核聚变能源将可能成为人类的终极能源。

在核聚变装置中，面对等离子体材料（包括第一壁和偏滤器材料）要经受高热冲击、高剂量的中子和氘、氦等离子体辐照等恶劣环境的考验。金属钨由于具有高熔点、低溅射率而成为优选的面对等离子体材料。但目前所用的钨材料在氘、氦等离子体长时间辐照下会在表面产生起泡现象，这是由于氢、氦及其同位素在其表层下面聚集而导致的。严重的起泡现象会影响面对等离子体材料的服役状况，造成表面起皮，严重影响等离子体的稳定性，并缩短面对等离子体材料本身的寿命。因此，努力避免钨基面对等离子体的表面起泡现象是核聚变材料领域的一个重要研究目标。

为了抑制钨基面对等离子体材料起泡，以前也有方法提出采用“梯度多孔结构”来实现这一目的的。但梯度多孔结构在抑制了起泡的同时，也有一个缺点：就是由于许多孔隙的存在，降低了有效传热截面，因此也就降低了面对等离子体材料的传热效率，这对它抵抗热冲击是不利的。

发明内容

本发明的目的是提供利用柱状晶来抑制钨基面对等离子体材料起泡的方法。这种方法不仅可以有效避免氢、氦及其同位素等在钨基材料表层下面的聚集，大大降低其表面的起泡现象，还能保持良好的传热效率。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是在钨基面对等离子体材料的表面采用柱状晶组织。这种组织的特征是钨金属材料中的大量晶粒是呈长条状的晶粒，并且其长轴按照垂直于表面的择优取向分布。柱状晶的短轴尺寸在0.1微米至8微米的范围，长轴与短轴的比值（即长径比）应大于5，并且该比值越大越有利于提高材料的抗起泡作用。

本发明的原理在于：在所采用的垂直于材料表面的柱状晶组织结构中，自然存在着许多垂直于表面的晶界。等离子体辐照过程中进入金属的氢、氦会通过横向扩散进入这些晶界，再利用这些晶界作为短路扩散通道返回到等离子体中，避免了氢、氦在材料表层下的积累，从而抑制了起泡问题。同时，采用柱状晶方法不同于利用多孔钨材料抑制起泡的方法，不存在减少传热截面的情况，并且由于材料中存在的晶界几乎都是垂直于表面的，而平行于表面的晶界很少，也就减少了热量从表面向体内传导过程中的散射，因此采用柱状晶组织还有利于热传导，不会降低材料抵御热冲击的能力。

虽然柱状晶钨材料已经可以利用多种常规制备方法得到，但一直很少被应用，这是由于柱状晶通常的力学性能较差的缘故。而由于面对等离子体材料在服役过程中最重要的是耐等离子体辐照能力，其力学性能反倒不是重点考虑的因素，因此可以充分利用柱状晶的特殊组织结构特点来抑制面对等离子体材料的起泡现象。然而，到目前为止，还没人利用柱状晶的这一结构特点作为抑制钨基面对等离子体材料起泡的方法。

本发明的优点在于：

（1）柱状晶结构的长轴垂直于材料表面，这样它的力学性能较差，主要表现在抗拉强度、抗疲劳性能方面，并且裂纹容易沿长轴晶界扩展。由于这些问题，所以柱状晶钨很少应用，有时在高温、耐磨零件方面有少量应用。而在本发明中，利用柱状晶钨要解决的技术问题是面对等离子体材料抗辐照起泡现象，而对于它的力学性能要求并不高。这一点正是充分利用了柱状晶垂直于表面排列的结构，使得氢、氦可以沿着垂直于表面的晶界快速扩散，返回到等离子体中。因此，将柱状晶钨材料应用于抗辐照起泡是一个新的应用。

（2）为了让进入到钨材料内的氢、氦很容易横向扩散至晶界处，柱状晶的短轴尺寸应该越小越好，最大不应超过8微米。

附图说明

图1是本发明采用的柱状晶组织结构横截面示意图。

图中：1．柱状晶端面；2柱状晶晶粒；3．晶界。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明采用的柱状晶组织结构进一步说明。

钨材料在氢、氦及其同位素等离子体长时间辐照后，在表层下面几微米的深度形成气泡，通常是从表面到5微米的深度内。钨材料表面之所以能够起泡，就是由于氢、氦及其同位素可以在等离子体辐照过程下进入到材料的表层，从表层向下扩散，并随着表层下氢、氦及其同位素的浓度升高，在2～3微米的扩散距离上逐渐积累形成气体分子，继而形成气泡。针对这样的问题，本发明提供一种钨基面对等离子体材料抗起泡的柱状晶组织结构，所述的柱状晶组织结构在生产中有多种常规方法都可以制备，以下用三个实施例来进一步介绍。

实施例1：

如图1所示，这是钨基面对等离子体材料的柱状晶结构的典型形式。最表面的部分是柱状晶在材料表面的柱状晶端面1，柱状晶颗粒2以长轴垂直于表面的取向排列，柱状晶颗粒2之间以晶界3为界面并紧密相连；

实施例1采用常规的磁控溅射方法制备得到。磁控溅射方法制备的柱状晶在尺度范围上偏小一些，所述的柱状晶的径向尺寸在0.1微米至0.5微米的范围。其长径比的值比较大，在10到20的范围。

所述的磁控溅射具体工艺步骤为：选用金属钨作为靶原材料，溅射电源采用直流溅射电源，溅射气体为氩气，溅射气压为0.1Pa至5Pa，溅射功率200W至1000W，溅射时间30分钟至3小时。

实施例2：

实施例2采用常规的化学气相沉积方法制备得到。所述的柱状晶的径向尺寸在5微米至8微米的范围，其长径比的值比较小，在5到10的范围。

所述的化学气相沉积的具体工艺步骤为：选用六氟化钨作为原材料，另外工作气体还有氢气。采用热分解的形式使六氟化钨分解，产生钨并沉积下来形成柱状晶。化学气相沉积参数采用金属钨的常规化学沉积工艺参数。

实施例3：

实施例3采用常规的熔盐电化学沉积方法制备得到。所述的柱状晶的径向尺寸在1微米至3微米的范围，其长径比的值在7到10的范围。

所述的熔盐电化学沉积的具体工艺步骤为：选用钨酸盐作为原材料，将钨酸盐熔融后加入电压，使钨在电极上沉积生长。沉积参数采用金属钨的常规熔盐电化学沉积工艺参数即可。所述的钨酸盐可以采用钨酸钠、钨酸锂等。

Claims (4)

1.一种利用柱状晶抑制钨基面对等离子体材料起泡的方法，其特征在于：所述的方法是在钨基面对等离子体材料表面制备柱状晶结构组织。

2.根据权利要求1所述的一种利用柱状晶抑制钨基面对等离子体材料起泡的方法，其特征在于：所述的柱状晶为呈长条状的晶粒，并且其长轴按照垂直于表面的择优取向分布。

3.根据权利要求1所述的一种利用柱状晶抑制钨基面对等离子体材料起泡的方法，其特征在于：所述的柱状晶的短轴尺寸在0.1微米至8微米的范围，长轴与短轴的比值大于5，并且该比值越大越有利于提高钨基面对等离子体材料的抗起泡作用。

4.根据权利要求1所述的一种利用柱状晶抑制钨基面对等离子体材料起泡的方法，其特征在于：所述的制备柱状晶结构组织，采用磁控溅射方法、化学气相沉积方法或者熔盐电化学沉积方法。