1、TiC增強(qiáng)W基面對(duì)等離子體材料性能研究學(xué) 生：劉 洋指導(dǎo)老師：陳俊凌 研究員 2010.12.20TiC增強(qiáng)W基面對(duì)等離子體材料性能研究學(xué) 生：目錄 研究背景國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀擬采用的方法實(shí)驗(yàn)進(jìn)展 目錄 研究背景研究背景第一壁（First wall）:直接面對(duì)熱等離子體偏濾器（Divertor）：承受極強(qiáng)的熱流與粒子轟擊磁約束聚變能的最終實(shí)現(xiàn)面臨的兩大難題： 高參數(shù)穩(wěn)態(tài)等離子體物理問(wèn)題 托卡馬克及未來(lái)反應(yīng)堆中關(guān)鍵材料問(wèn)題 面對(duì)等離子體材料（Plasma Facing MaterialPFM）研究背景第一壁（First wall）:偏濾器（Divert等離子體與材料相互作用：從壁材料釋放的各種粒子可

2、能被輸運(yùn)到等離子體約束區(qū)，從而對(duì)等離子體的約束特性造成不利影響；等離子體粒子和伴隨的能量流對(duì)面對(duì)等離子體材料的損傷。研究背景等離子體與壁相互作用過(guò)程簡(jiǎn)圖等離子體與材料相互作用：研究背景等離子體與壁相互作用過(guò)程簡(jiǎn)圖托卡馬克中流向壁的熱通量與其他過(guò)程的比較研究背景托卡馬克中流向壁的熱通量與其他過(guò)程的比較研究背景PFM的選擇： 迄今研究得最多的PFM是碳（C)、鈹（Be）和鎢（W）：C的優(yōu)點(diǎn)是低 Z、熱力學(xué)性能好、不熔化、升華溫度高；缺點(diǎn)是高的濺射刻蝕率、與氚共堆積滯留、中子輻照脆化等。 Be的優(yōu)點(diǎn)是低 Z、吸氧能力強(qiáng)、H同位素 (包括氘和氚，以下如無(wú)特殊說(shuō)明均用 H表示 )滯留較??；缺點(diǎn)是低熔點(diǎn)、

3、高濺射和毒性等。W基材料以其高熔點(diǎn)、低濺射、不與 H發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、H滯留低等特性被視為未來(lái)托卡馬克 /聚變堆中最可能全面使用的 PFM；其缺點(diǎn)是存在高 Z雜質(zhì)輻射、中子輻照脆化/硬化、高熱負(fù)荷下再結(jié)晶脆化甚至熔化 /蒸發(fā)等。研究背景PFM的選擇：研究背景課題的提出： 鑒于 W在未來(lái)壁材料中的重要地位，針對(duì)其最主要的輻射問(wèn)題，德國(guó)在ASDEX-U托卡馬克上開(kāi)展了系統(tǒng)的W壁物理實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：W雜質(zhì)向芯部等離子體的傳輸過(guò)程受到多種輔助加熱手段的有效抑制。 此外，約束水平提高后，邊界層中的離子能量降低，物理濺射降低，W雜質(zhì)產(chǎn)額減少。 盡管W雜質(zhì)的高輻射問(wèn)題能夠得到有效的抑制，但W基PFM在核聚變裝置

4、中的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題： 低溫脆性； 再結(jié)晶脆化； 輻照效應(yīng)的影響。 因此，有必要對(duì)W基PFM進(jìn)行強(qiáng)化研究。對(duì)W的強(qiáng)化手段主要有固溶強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化及第二相顆粒彌散強(qiáng)化。課題的提出：國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀固溶強(qiáng)化 固溶強(qiáng)化是一種較常用的合金強(qiáng)化方法，其性能較合金化之前明顯提高。對(duì)W而言，可考慮的固溶元素有锝（Tc）、釕（Ru）、錸（Re）、鋨（Os）、鈦（Ti）等。Ref Y. Mutoh, K. Ichikawa, K. Nagata. Effect of rhenium addition on fracture toughness of tungsten at elevated temperatur

5、es. Journal of material science,30(1995) 770-775國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀固溶強(qiáng)化Ref Y. Mutoh, K. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀細(xì)晶強(qiáng)化 實(shí)驗(yàn)表明，常溫下細(xì)晶組織比粗晶組織有更高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。這是因?yàn)榧?xì)晶組織在收到外力發(fā)生塑性變形時(shí)，可以分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較小。此外，晶粒越細(xì)，越不利于裂紋的擴(kuò)展。SampleW02W10W100Grain size, 0.2110Thermal conductivity, wm-1k-1105128140Microhardness, Hv1107.5811.5710.5Bendin

6、g strength, MPa658.3532.6322.9Properties of tungsten with different grain size Ref Zhangjian Zhou, Gerald Pintsuk, Jochen Linke, etc. Transient high heat load tests on pure ultra-fine grained tungsten fabricated by resistance sintering under ultra-high pressure. Fusion Engineering and Design,85(2010

7、)115-121國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀細(xì)晶強(qiáng)化SampleW02W10W100GraSEM images of loaded surface after heat loading at 0.22GWm2, (a)W02; (b) magnification of (a); (c)W10; (d) magnication of (d).國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀exfoliationSEM images of loaded surface a國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀第二相顆粒彌散強(qiáng)化 第二相顆粒的加入不僅可以強(qiáng)化晶界，提高強(qiáng)度，而且可以阻礙再結(jié)晶的進(jìn)行。一般加入的第二相顆粒有碳化物顆粒（TiC，ZrC等）和稀土氧化物顆粒（L

8、a2O3，Y2O3等）。Pure W W+0.5%TiCRef H.Kurishita, S.Kobayashi, K.Nakai, etc. Development of ultra-fine grained W-(0.25-0.8)wt%TiC and its superior resistance to neutron and 3 Mev He-ion irradiations. J.Nucl.Mater.377(2008)34-40.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀第二相顆粒彌散強(qiáng)化Pure W 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀SEM micrograph of specimen surface after irradi

9、ation with 3MeV He-ions to for pure Wexfoliation國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀SEM micrograph of speci擬采用的方法研究?jī)?nèi)容W晶粒尺寸及納米TiC的加入對(duì)W合金瞬態(tài)熱負(fù)荷和等離子體輻照性能的影響；初步評(píng)價(jià)在熱負(fù)荷或等離子體輻照實(shí)驗(yàn)中W/Cu界面問(wèn)題。材料制備 1,2-鋼板和石墨板；3-葉蠟石套；4-壓力系統(tǒng)； 5-WC-Co硬質(zhì)合金；6-樣品生坯通電超高壓燒結(jié)設(shè)備示意圖擬采用的方法研究?jī)?nèi)容1,2-鋼板和石墨板；3-葉蠟石套；4-性能測(cè)試擬采用的方法Samplehigh-power diode systemhigh-voltage power supplySEM-實(shí)驗(yàn)前后表面形貌觀察EDS-實(shí)驗(yàn)前后樣品表面元素分析XRD-實(shí)驗(yàn)前后樣品表面物相分析強(qiáng)流脈沖離子束設(shè)備（瞬態(tài)熱負(fù)荷）示意圖 等離子體輻照實(shí)驗(yàn)示意圖性能測(cè)試擬采用的方法Samplehigh-power hig完成了粉末原料的成分設(shè)計(jì)和制備工藝設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了預(yù)燒結(jié)可行性試驗(yàn)；初步完成了熱負(fù)