第十四届全国表面工程大会

196 / 2022-09-20 13:14:24

面向等离子体材料钨表面HfNbTaTiZr高熵合金涂层体系的构筑及抗辐照性能

面向等离子体材料；HfNbTaTiZr高熵合金；双辉等离子表面合金化；抗辐照性能

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        核聚变反应产生的聚变能是解决现有能源问题的一种重要潜在途径，但聚变装置材料尤其是面向等离子体材料（PFMs）的选择制约着可控核聚变反应的发展，成为将聚变反应堆推向工程应用化或商用化的技术瓶颈。钨（W）由于具有高密度、高熔点、高热导率、高的抗离子溅射能力、低的氚滞留等优点，被认为是未来核聚变装置用直接面向等离子体的第一候选材料。但是作为与高能等离子体直接接触的PFMs，钨在大量H⁺、He⁺以及中子的冲刷下，会出现诸如He泡、H泡、Fuzz结构、空洞以及位错环等缺陷导致W材料发生辐照肿胀、辐照硬化、辐照脆化等现象，从而降低材料的韧性、增加材料的脆性、使得材料的韧脆转变温度升高，影响PFMs在核聚变堆中的稳定运行。因此，提高钨的抗辐照性能成为其作为PFMs在核聚变堆中应用的关键。

        采用双辉等离子表面合金化技术在纯钨表面制备了HfNbTaTiZr高熵合金涂层，通过对表面合金化制备的合金涂层进行形貌观察、成分分析、物相检测、结合强度测试以及显微硬度测试等表征，优化制备工艺，并研究了HfNbTaTiZr高熵合金涂层的抗He⁺辐照性能。主要研究内容及结果如下：

（1）对不同参数下制备的HfNbTaTiZr高熵合金涂层进行了形貌、成分、物相、结合强度及显微硬度等分析和测试。由于制备过程中Ar等离子体的轰击，涂层表面的粗糙度较基体有所增加。制备的涂层均由沉积层和扩散层组成，表面合金化温度为950 ℃、工件极和源极间电压差300 V、极间距18 mm、工作气压35 Pa、保温时间为3 h时所制备的合金涂层表面的颗粒状形貌最致密，涂层表面的元素含量与靶材元素的成分比例最为接近。该工艺下制备的涂层其沉积层与扩散层、涂层与基体之间均未发生明显的开裂，涂层厚度均匀一致。此工艺下涂层表面硬度值最大，划痕测试结果也表明，该工艺下制备的合金涂层与基体间的结合较好。

（2）对纯钨试样及所有工艺下制备的HfNbTaTiZr高熵合金涂层试样进行了能量为30 eV，通量2.75×1021 ions/m²·s、剂量7.425×1024 ions/m²的低能高流强He⁺辐照。辐照之后纯钨表面产生了均匀的Fuzz结构，而HfNbTaTiZr高熵合金涂层试样表面或出现了Fuzz结构的前期阶段—波纹状/阶梯状形貌，或只在局部区域出现了Fuzz损伤，即损伤轻微。表明本实验制备的涂层可以有效抵御He⁺对纯钨表面造成的辐照损伤。辐照后产生局部Fuzz损伤的涂层试样表面存在明显的成分偏析，而整体表面出现波纹状或阶梯状形貌的涂层试样表面成分分布均匀，没有发生明显的团聚现象。温度为950 ℃、工件极和源极间电压差为300 V、极间距18 mm、工作气压35 Pa、保温时间为3 h的表面合金化工艺下制备的涂层试样经He⁺辐照后其表面的成分含量与未辐照之前几乎一致，且辐照之后表面只出现了阶梯状和波纹状形态，表明该合金化工艺下所制备涂层试样具有良好的抗He⁺辐照性能。