劉偉,1,陳婉琦2,馬夢晗1,李愷倫3
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核聚變反應(yīng)堆中，W因為其高熔點、高導(dǎo)熱性、低濺射率和低氚(T)滯留等優(yōu)勢，成為面向等離子體材料中最有應(yīng)用前景的候選材料。在服役過程中，W會受到低能高束流等離子體的輻照作用，導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生微納尺度的損傷結(jié)構(gòu)，如表面起泡和表面納米組織等，引起導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能下降，從而嚴(yán)重影響其再服役性能。本文聚焦于國內(nèi)外關(guān)于氫/氘(H/D)等離子體作用下W的輻照損傷行為的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了氣泡的形核和長大機制，以及輻照缺陷對導(dǎo)熱、力學(xué)和再服役性能的影響機制，為W組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能預(yù)測和服役壽命評價提供理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：
21世紀(jì)，人類面臨的能源危機問題日益嚴(yán)重，不可再生的傳統(tǒng)化石能源日漸枯竭，人類對新能源的需求更加迫切。可控?zé)岷司圩兡鼙徽J(rèn)為是最有可能永久解決能源問題的新型能源，具有無限、安全和無放射性核廢料的優(yōu)點。熱核聚變反應(yīng)的原理是將受到一定約束條件的氘(D)和氚(T)加熱到極高的溫度，使其在等離子狀態(tài)下發(fā)生反應(yīng)，釋放能量。最容易實現(xiàn)的核反應(yīng)是2D +3T →4He (3.5 MeV) + n (中子，14.1 MeV)，其中反應(yīng)物2D可以從海水中源源不斷地提取，3T可以由中子轟擊Li靶材反應(yīng)生成，而生成物4He同樣清潔無環(huán)境污染[1~3]。
國際熱核聚變實驗堆(international thermonuclear experimental reactor，ITER)計劃是目前規(guī)模最大的國際性合作科研項目之一，由歐盟、美國、俄羅斯、印度、日本、韓國和中國共同參與，目標(biāo)是建成能穩(wěn)態(tài)運行的全超導(dǎo)磁約束托卡馬克實驗堆[4,5]。托卡馬克裝置主體是一個環(huán)繞線圈的環(huán)形真空室，產(chǎn)生的強磁場雖能約束大部分高溫等離子體，但仍有很多等離子體會不可避免地轟擊真空室內(nèi)壁和偏濾器，造成壁材料服役性能嚴(yán)重下降，甚至影響材料的使用壽命和裝置的安全性[4~7]，這種服役時直接面對等離子體輻照作用的材料即為面對等離子體材料(plasma facing materials，PFMs)，位于真空腔室底部的偏濾器作為面對等離子體部件(plasma facing component，PFC)，其主要作用是排出D/T等離子體反應(yīng)生成的氦灰以及雜質(zhì)。
W具有高熔點、導(dǎo)熱性好、低濺射產(chǎn)額和低T滯留等優(yōu)勢，無論是ITER計劃還是中國聚變工程試驗(China fusion engineering test reactor，CFETR)，均把W作為偏濾器的候選材料[11]。然而W在服役時會受到等離子體輻照作用，導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生微納尺度損傷結(jié)構(gòu)，如表面起泡、絨毛結(jié)構(gòu)、孔洞和表面納米組織等，從而引起熱導(dǎo)率下降、表面硬化和脆化，使材料更易發(fā)生表面破裂和剝離，影響其再服役性能，進(jìn)而對核聚變裝置的安全性造成危害。
本文聚焦于W在H/D等離子體作用下的輻照損傷行為，系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外科研人員對W的表面起泡行為和服役性能方面的研究現(xiàn)狀，旨在為優(yōu)化W組織結(jié)構(gòu)和性能，提高托卡馬克裝置運行的安全穩(wěn)定性，延長使用壽命提供參考。
作為PFMs，W在服役過程中將受到從芯部等離子體逃逸出來的D/T等離子體及其反應(yīng)產(chǎn)物He和中子的輻照作用，其中D/T等離子體在等離子體中占絕大部分，約90%左右。由于T具有放射性，因此國際上通常采用H/D等離子體進(jìn)行輻照研究。等離子體輻照會使W表面產(chǎn)生輻照損傷結(jié)構(gòu)，如表面氣泡、絨毛結(jié)構(gòu)和表面納米組織等，尺寸通常在微米和納米量級。
圖1D等離子體輻照在表面取向為[111]、[110]和[001]的W晶粒上引起的表面起泡現(xiàn)象[16]
Fig.1Surface (a, c, e) and crosss-ection (b, d, f) morphologies of surface blistering of D plasma exposed W with surface normal directions close to [111] (a, b), [110] (c, d), and [001] (e, f) directions, respectively[16](Red arrows in Fig.1d show two blisters caused by the gas pressure inside the cavities beneath the surface; A blue arrow in Fig.1d shows a large cavity along the grain boundary; Blue arrows in Fig.1f show that there were also cavities beneath the surface, but these cavities did not induce any obvious blisters on the surface at all)
研究[17~19]表明，等離子體輻照作用下W表面起泡行為與輻照劑量和輻照溫度有關(guān)。隨著輻照劑量的增加，W表面上尺寸較小的氣泡會聚集融合成尺寸較大的氣泡，表面氣泡的平均尺寸將會增大，而氣泡數(shù)量則會減少。Ye等[20]發(fā)現(xiàn)在低能H等離子體輻照作用下的W表面上，隨著輻照劑量的增加，氣泡的尺寸從幾十微米增至幾百微米。Jia等[21]利用高束流強度D等離子體在943 K下對W進(jìn)行輻照并觀察到表面起泡，發(fā)現(xiàn)隨著輻照劑量(次數(shù))的增加，表面起泡行為越來越嚴(yán)重，如圖2a~c[21]所示。根據(jù)圖2d[21]中對氣泡密度和尺寸進(jìn)行統(tǒng)計的結(jié)果可知，氣泡密度隨輻照劑量增加而增加，直至輻照次數(shù)超出4次后接近飽和，該變化規(guī)律與D滯留量隨著輻照劑量增加而增加的變化規(guī)律一致。輻照溫度對表面起泡行為也具有顯著的影響。Luo等[22]發(fā)現(xiàn)，隨著輻照溫度升高，表面氣泡密度存在先上升后下降的趨勢，當(dāng)溫度升高到900 K左右時，不再出現(xiàn)表面起泡現(xiàn)象。輻照溫度主要通過影響D和空位復(fù)合體(D-V complex)的形成、擴散和聚集，進(jìn)而影響表面氣泡的形成[20,23]。表面氣泡隨著溫度升高而逐漸減少至消失，一個原因是D原子的滯留量降低，另一個原因是高溫時D原子的擴散能力更強，使得D原子不易在W的近表面形成富集，使得表面氣泡減少。
圖2D等離子體(943 K)分別在1.55 × 1026、4.21 × 1026和7.05 × 1026m-2輻照條件下W樣品表面形貌及表面氣泡尺寸和密度分布統(tǒng)計[21]
Fig.2Surface morphologies of W samples exposed to D plasma (943 K) at irradiation doses of 1.55 × 1026m-2(a), 4.21 × 1026m-2(b), and 7.05 × 1026m-2(c); and surface bubble size and density distribution statistics (d)[21]
除了輻照劑量和輻照溫度，表面起泡行為還與材料表面的晶粒取向有關(guān)。Shu等[24]研究發(fā)現(xiàn)，表面氣泡容易出現(xiàn)在表面法向接近[111]表面的晶粒上，而在其他表面上氣泡數(shù)量較少，但是對于表面氣泡取向依賴性的成因并沒有給出解釋。Lindig等[17]發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)在{110}面晶粒上的氣泡沿<111>方向拉長，推測與W的低指數(shù)滑移系{110}<111>有關(guān)。Miyamoto等[25]也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，認(rèn)為這是由于法向[111]的表面為最疏排表面，因此D粒子更容易注入該表面，造成D粒子的注入量和注入深度更大，該解釋是基于之前高能粒子輻照實驗的結(jié)果。然而，低能量(50 eV以下) D等離子體的注入深度很淺，晶體取向?qū)τ贒粒子的注入量以及注入深度的影響應(yīng)該很小，所以他們對于低能D粒子造成的表面氣泡取向依賴性的解釋存在很大疑問。賈玉振[26]研究發(fā)現(xiàn)，[110]表面上六邊形氣泡的邊緣和臺階均垂直于[110]方向，在表面法向接近[111]的表面上，如圖3[16]所示。金屬W的晶格結(jié)構(gòu)為bcc結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生塑性變形時，位錯滑移的滑移方向為[111]方向，而通常的滑移面為{110}面。因此，賈玉振[26]基于W的塑性變形理論提出了表面起泡模型，如圖4[16]所示，即由于W中位錯的滑移方向為[111]方向，所以當(dāng)輻照表面垂直于[111]方向時，表面的氘泡中存在的較大氣體壓強導(dǎo)致氣泡發(fā)生表面變形，從而形成表面氣泡。當(dāng)輻照表面的法向遠(yuǎn)離[111]方向時，氘泡中的氣體壓強不易使氣泡表面產(chǎn)生變形，故氣泡數(shù)量較少。基于W塑性變形理論的表面起泡機制可以很好地解釋D等離子體導(dǎo)致的表面氣泡取向依賴性。
圖5D等離子體輻照后W的表面氣泡和納米泡(38 eV、1024m-2·s-1、423 K、7 × 1026m-2)[27]
Fig.5Surface bubbles and nanobubbles of W after D plasma irradiation (38 eV, 1024m-2·s-1, 423 K, 7 × 1026m-2)[27](a, b) surface bubbles viewed vertically (a) and tilted at 45° (b) (c, d) nanobubbles in SEM conventional mode (c) and Inlens mode (d) (Arrows in Fig.5d show the morphologies of broken nanobubbles)
由此可見，在等離子體作用下W的表面起泡具有明顯的取向依賴性。對于較大的微米氣泡，基于W塑性變形理論的表面起泡機制，可以合理解釋等離子體作用下W表面起泡的取向依賴性。對于表面形成的納米泡，在不同取向上形狀各異，基于塑性變形理論的氣泡形核機制是否適用，如何解釋納米泡的取向依賴性仍需要開展進(jìn)一步的研究工作。
塑性變形機制是指較小尺寸的氣泡在近表面通過塑性變形，長大成為尺寸較大氣泡的過程，可以同時用來解釋晶間氣泡和晶內(nèi)氣泡的長大過程[16,17]。對于晶間氣泡，通常能觀察到在晶界處產(chǎn)生較大的裂紋，其擴展方向與低指數(shù)滑移系一致，這是由于材料通過位錯滑移的塑性變形過程釋放氣泡內(nèi)的過飽和氣壓而引起的應(yīng)力[17]。對于晶內(nèi)氣泡，尺寸較大氣泡的晶體取向依賴性和六邊形臺階狀氣泡均與塑性變形機制有關(guān)[16]。一些納米泡也被認(rèn)為是通過塑性變形機制長大[32~34]。例如，Dubinko等[32,33]發(fā)現(xiàn)50 eV的高束流強度D等離子體輻照作用下，W近表層的位錯密度增加，產(chǎn)生的原因是等離子體輻照導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生溫度梯度和應(yīng)力梯度，從而引起W產(chǎn)生塑性變形。此外，他們還在W樣品內(nèi)觀察到“咖啡豆”狀的位錯環(huán)，并推測是由于小氣泡在長大過程中擠出位錯環(huán)而產(chǎn)生的。然而遺憾的是，作者在該樣品中并未觀察到氣泡，無法直接將氣泡與位錯環(huán)/位錯聯(lián)系起來，使得該理論存疑。而Guo等[34]的研究雖然觀察到晶內(nèi)氣泡和其周圍的位錯纏結(jié)，但是并未觀察到位錯環(huán)，如圖6[34]所示，作者認(rèn)為氣泡僅通過塑性變形機制長大，而不存在位錯環(huán)擠出機制，這與Dubinko等[32,33]的觀點相矛盾。
位錯環(huán)擠出機制本質(zhì)上也是塑性變形過程，只是通常被單獨劃分為一種長大機制[28]。位錯環(huán)擠出機制指的是自間隙原子從金屬與氣泡界面處被擠出而形成棱柱位錯環(huán)，氣泡內(nèi)的氣壓是位錯環(huán)擠出的驅(qū)動力。Condon和Schober[28]研究發(fā)現(xiàn)，位錯環(huán)擠出機制是Al和Cu等金屬中氫泡長大的主要機制。同時，位錯環(huán)擠出也可用來解釋W(xué)中氫泡的長大過程[35,36]，其機制示意圖如圖7[28]所示。位錯環(huán)擠出機制通常伴隨著一列沿著Burgers矢量平行排列的位錯環(huán)[28]，因此這種平行排列的具有相同Burgers矢量的棱柱位錯環(huán)成為位錯環(huán)擠出機制的直接實驗證據(jù)。Hou等[37]通過模擬研究提出位錯環(huán)擠出機制是W中團簇長大成為氫泡的主要機制，很多計算模擬工作也從理論上支持了位錯環(huán)擠出機制[38~40]。
在此基礎(chǔ)上，Chen等[41]提出氣泡的多階段長大機制，完整闡述了表面氣泡的生長過程。Chen等[41]通過實驗證實了位錯環(huán)擠出機制的存在，在晶內(nèi)氣泡附近觀察到沿<111>方向平行排列的Burgers矢量為
圖8H等離子體輻照再結(jié)晶W中晶內(nèi)氣泡及附近位錯環(huán)形貌[41]
Fig.8Typical morphologies of dislocations loops distributed around the blister in recrystallized W after exposed to H plasma[41]
(a) four dislocation loop arrays distributed near the intra-granular H blister
(b) enlarge area 1 in Fig.8a, prismatic dislocation loops and “coffee-bean” loops distributed along [11
圖9H等離子體輻照再結(jié)晶W中晶內(nèi)氣泡尖端的剪切位錯環(huán)形貌[41]
Fig.9Morphologies of shear dislocation loops arrayed at the tip of the intra-granular blisters in recrystallized W after exposed to H plasma (Rectangular areas show the same group dislocations which observed under differentgvector)[41]
(a)g1= 200 (b)g2= 01
綜上，在H/D等離子體輻照作用下W中表面氣泡的長大機制研究方面，對于晶間氣泡的長大機制，塑性變形機制得到了廣泛認(rèn)可。對于晶內(nèi)氣泡的長大機制，采用氣泡的多階段長大機制，可以合理解釋氣泡的長大過程。
相較于表面氣泡的長大機制，表面氣泡的形核機理是低能高束流等離子體輻照W領(lǐng)域長久以來備受關(guān)注的難題。表面氣泡可根據(jù)氣泡出現(xiàn)的位置分為晶間氣泡和晶內(nèi)氣泡2種。晶界被廣泛認(rèn)為是晶間氣泡的初始形核位置[42,43]，且可以通過觀察表面起泡的截面形貌得到證實，即表面凸起下方對應(yīng)的近表層沿晶界發(fā)生的開裂現(xiàn)象[17]。但是很多研究發(fā)現(xiàn)，起泡現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在晶界處，也出現(xiàn)在單個晶粒內(nèi)部，即晶內(nèi)氣泡[34,44]，顯然此時晶界形核理論不再適用。
晶內(nèi)氣泡的形核位置通常為晶粒內(nèi)部的空位、空位團簇[45,46]和位錯[26,47]等缺陷處，因此主要觀點為空位形核理論和位錯形核理論。關(guān)于空位形核理論，Liu等[45]提出，空位的自由表面可與H原子結(jié)合，引起H的聚集從而導(dǎo)致氣泡形成。然而，H/D致起泡現(xiàn)象也多次被觀察到出現(xiàn)在低能高束流H/D等離子體輻照后的再結(jié)晶W表面晶粒內(nèi)部[14,24,44,45,48]。但是再結(jié)晶材料內(nèi)的初始空位濃度很低，且當(dāng)H/D等離子體的入射能量低于W的離位閾值時，基本不會產(chǎn)生新的空位型缺陷，因此無法為氣泡形核提供足夠的空位。Fukai等[49~52]提出，由于已有空位與H形成復(fù)合體(V-Hncomplex)，新空位的形成能降低，并以此解釋在高壓氫環(huán)境下bcc金屬生成過飽和空位現(xiàn)象。基于這一理論，Shu等[24,48]提出將再結(jié)晶W中的起泡行為和氘滯留歸因于空位形核機制。然而，研究[53]表明，通過形成V-Hn復(fù)合體只能使新空位的形成能降低至2.45 eV，該數(shù)值仍然很高，所以空位濃度依然會非常低(室溫時為10-39)，不足以支持空位形核機制產(chǎn)生晶內(nèi)氣泡的觀點。此外，空位或V-Hn復(fù)合體在室溫下通常為不可動狀態(tài)，但是很多研究[23,24]在室溫輻照條件下也觀察到了氫致起泡現(xiàn)象。因此，空位形核理論并不能完全解釋氣泡的形核。
位錯形核理論是指晶體內(nèi)的位錯捕獲H/D原子，使其聚集在位錯核心從而形成氣泡。Terentyev等[47]利用熱脫附技術(shù)觀察到W內(nèi)氘的滯留量與位錯密度呈正相關(guān)。Chen等[54]首次在實驗上證實了鋼中存在的位錯會捕獲H原子。此外，很多計算方面的研究也支持位錯是氫泡初始形核位置的觀點。研究發(fā)現(xiàn)，W中的位錯與H原子具有較強的結(jié)合能，例如H原子與螺型位錯的結(jié)合能為0.55 eV[55]，與<111>刃型位錯的結(jié)合能為0.89 eV[56]。而且，H原子可通過位錯通道進(jìn)行快速擴散。Smirnov和Krasheninnikov[57]發(fā)現(xiàn)，H原子被1/2<111>螺型或刃型位錯捕獲后形成高H含量的盤狀團簇。但是，這些計算結(jié)果只表明H原子會在位錯上聚集，并未給出氣泡的形成過程。Guo等[34]在實驗上觀察到在低能D等離子體輻照下，再結(jié)晶W晶粒內(nèi)的氣泡附近存在<001>刃型位錯，以及位錯纏結(jié)處存在<111>刃型位錯反應(yīng)，且氣泡更傾向于在高位錯密度處產(chǎn)生。根據(jù)Cottrell[58]理論，bcc金屬發(fā)生塑性變形時，<100>刃型位錯通過2個可動位錯滑移和合并而生成，并作為解理裂紋初始形核位置。Guo等[34]推斷氫泡的形核是由于H原子被<100>刃型位錯捕獲，形成盤狀團簇并通過向外發(fā)射1/2<111>刃型位錯進(jìn)而繼續(xù)擴展。然而，該研究中并沒有直接實驗證據(jù)能夠說明被位錯捕獲的H原子是如何形成盤狀團簇，以及盤狀團簇是如何進(jìn)一步成為氫泡。
Chen等[59]基于位錯形核理論，通過直接實驗證據(jù)和模擬計算，提出了氣泡的{100}面形核機制。實驗發(fā)現(xiàn)，晶粒內(nèi)部的微納尺度氫泡分布在{100}面上(如圖10[59]所示)，且氣泡附近有<100>刃型位錯存在。結(jié)合分子動力學(xué)計算(如圖11[59]所示)，氣泡形核過程可分為4個階段。(1) <100>刃型位錯的生成。H等離子體輻照時表面熱應(yīng)力可能造成W表面發(fā)生局部塑性變形，從而產(chǎn)生位錯及發(fā)生位錯反應(yīng)，生成了<100>刃型位錯。(2) 間隙H原子在<100>刃型位錯上聚集。H原子主要存在于bcc結(jié)構(gòu)W的四面體間隙中，且間隙H原子與<100>刃型位錯之間的結(jié)合能較高，使得大量間隙H原子聚集在位錯核心處。(3) 氫泡在位錯張應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)。被位錯捕獲的H原子傾向于聚集在位錯的張應(yīng)力區(qū)，沿著<100>方向開裂擴展，形成位于{100}面的氫泡。(4) 出現(xiàn)bcc向fcc轉(zhuǎn)變的相變區(qū)。在氫泡形核初期，氣泡內(nèi)的氣壓引起周圍區(qū)域發(fā)生相變，相變區(qū)成為間隙H原子繼續(xù)向氣泡中擴散的必經(jīng)區(qū)域。據(jù)此提出了氣泡的{100}面形核機制：H原子被<100>刃型位錯捕獲，聚集在位錯的張應(yīng)力區(qū)并在應(yīng)力作用下沿<011>方向擴展形核，形成位于{100}面的氣泡。
圖11氫泡在<100>刃型位錯處的形核過程[59]
Fig.11H blister nucleation process at <100> edge dislocation[59]
(a) timet= 1 ns, the edge dislocation with a <100> Burgers vector is not filled by H atoms (The inset enlarged figure shows the dislocation core structure)
(b)t= 5 ns, the dislocation core opens towards the <011> direction and accommodates more H atoms. The H-rich phase-transformation region is also formed at this stage (Inset shows the high magnified image of rectangular area)
(c)t= 10 ns, the dislocation core extends further
(d)t= 15 ns, with increased blister size, the phase-transformation region increases. The inset enlarged figure shows the crystal structure of the phase-transition region, which is fcc W with H filling all of its octahedral sites
(e)t= 20 ns, the H dislocation diffusion path is visible
(f)t= 25 ns, the final configuration is apparent; the phase-transition region grows continuously, following the blister tip (Inset shows the high magnified image of rectangular area)
表面起泡行為作為H/D等離子體輻照下W表面產(chǎn)生的最主要損傷行為，Chen等[59]提出的氣泡的{100}面形核機制是目前較為接近氫泡最早形核時的狀態(tài)，但是對于最初<100>刃型位錯是如何生成的，尚無直接的實驗證據(jù)。在W中，刃型<100>位錯難以直接形成，其必然通過位錯反應(yīng)間接生成。其中一種可能性是用于輻照的W中本身存在具有<100>位錯分量的混合型位錯，在H原子進(jìn)入W基體后發(fā)生了位錯反應(yīng)，生成<100>刃型位錯。另一種可能是H與W中空位結(jié)合生成的V-Hn團簇誘發(fā)位錯的生成，即H2分子產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致各部分晶體收縮不均形成位錯，或是過飽和空位團導(dǎo)致晶體塌陷形成位錯環(huán)。對于初始<100>刃型位錯是通過上述的其中一種機制形成，或是由2種機制共同作用形成，仍需要進(jìn)一步的驗證。因此，未來的研究工作需要通過進(jìn)一步確認(rèn)氫泡形核與位錯類型的關(guān)聯(lián)，探究初始<100>刃型位錯的形成機理，從而完整地揭示氣泡的初始形核機理。由于表面氣泡的形核和長大過程以及氣泡周圍產(chǎn)生的位錯(環(huán))等缺陷，都將會對W的服役性能產(chǎn)生直接影響，因此有必要對表面氣泡的形核機理開展更深入的研究，其將對抑制起泡行為，提升W的服役性能從而延長使用壽命起到指導(dǎo)作用。
W在等離子體輻照作用下產(chǎn)生的損傷結(jié)構(gòu)不僅會造成表面形貌的改變，更為關(guān)鍵的是會引起服役性能的下降。本節(jié)從導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能2個方面總結(jié)了等離子體作用下W的損傷與服役性能的研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，介紹了粒子流/熱流協(xié)同作用下W的損傷行為研究進(jìn)展。
在聚變堆PFMs候選材料中，W為熱導(dǎo)率最高的材料[60]。在ITER穩(wěn)態(tài)運行條件下，低能高束流的等離子體輻照會造成W表面的輻照損傷，損傷缺陷對電子和聲子有散射作用，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低。進(jìn)一步地，在高熱負(fù)荷作用下，W表面熱量累積形成較高的溫度梯度，產(chǎn)生較大的表面應(yīng)力，最終導(dǎo)致開裂等失效行為，甚至可能導(dǎo)致局部熔化。Kajita等[61]發(fā)現(xiàn)He等離子體輻照下，W表面的納米組織導(dǎo)致表面熱量累積，在加載瞬態(tài)熱負(fù)荷時，損傷層的表面溫度顯著升高，表明He輻照導(dǎo)致W損傷結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率下降，熱量集中在表層。Nishijimal等[62]發(fā)現(xiàn)在低能等離子體作用下W表面形成絨毛結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致W發(fā)生局部熔化。因此，等離子體輻照作用下W表面產(chǎn)生的損傷結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致表面損傷層熱導(dǎo)率的下降，引起W在高熱負(fù)荷作用下表面溫度升高，從而使材料發(fā)生再結(jié)晶、開裂和熔化等行為[63]。由此可見，研究損傷層熱導(dǎo)率的變化具有非常重要的意義。
由于等離子體輻照造成的表面損傷層深度通常在幾十納米量級[64]，傳統(tǒng)的測量熱導(dǎo)率的穩(wěn)態(tài)方法很難實現(xiàn)表面熱導(dǎo)率的測量[63]。瞬態(tài)熱反射法(transient thermoreflectance，TTR)利用了溫度和反射率之間的比例關(guān)系，可以通過激光強度分布推導(dǎo)樣品損傷層的熱導(dǎo)率。Qu等[65]在PSI-2設(shè)備上采用40 eV He等離子體輻照W，并用TTR法測量了超薄損傷層的熱導(dǎo)率，結(jié)果表明，輻照后W的熱導(dǎo)率下降了2個數(shù)量級。W損傷層熱導(dǎo)率的下降是由空位、間隙原子、He團簇、氦泡和空穴等輻照缺陷的散射作用引起的。
根據(jù)熱導(dǎo)率的計算公式，可以通過測量熱擴散率間接反映熱導(dǎo)率的變化[69]。瞬態(tài)光柵光譜學(xué)(TGS)能夠以高時間分辨率(幾秒)和高空間分辨率(約100 µm)測量微米級厚度表面層的熱擴散率。其原理在于利用相干激光脈沖在樣品表面形成瞬態(tài)光柵，通過分析衍射探測光束的振幅衰減，確定表面層的熱擴散率。Reza等[70]采用該法測量了在50 eV D等離子體輻照下W的熱擴散率變化，如圖12[70]所示。結(jié)果表明，輻照后W的熱擴散率顯著下降。這可能是因為D等離子體輻照在W表面產(chǎn)生的氣泡不僅會減少表面和基體之間的熱接觸，減小了傳熱截面，還會使電子的平均自由程大大縮短，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)過程中產(chǎn)生強烈的電子-電子相互作用[63]，從而降低熱擴散率。
圖124種樣品的熱擴散率與輻照劑量和溫度的關(guān)系[70]
Fig.12Thermal diffusivity versus irradiation dose and temperature for four samples (Thermal diffusivity of unexposed W > 6.5 × 10-5m2/s; HT—high temperature; LT—low temperature; HD—high dose sample; LD—low dose; LT: about 450 K; HT: about 650 K; LD: about 5 × 1025m-2(70 s); HD: about 1 × 1027m-2(1400 s))[70]
上述研究均從實驗角度證實了輻照后W的熱導(dǎo)率會有不同程度的下降，原因在于輻照缺陷對電子和聲子的散射作用。熱導(dǎo)率的下降可以作為輻照損傷程度的評判標(biāo)準(zhǔn)，測量熱導(dǎo)率的變化可以反映等離子體作用下的損傷程度。熱導(dǎo)率的測量精度很大程度上取決于測量方法及條件，因此很有必要研究精確測量損傷層熱導(dǎo)率的方法，建立輻照缺陷和導(dǎo)熱性能之間的關(guān)系。
力學(xué)性能是評判材料服役性能和使用壽命的重要指標(biāo)。等離子體輻照后材料的硬化和脆化是輻照后材料力學(xué)性能下降的主要表現(xiàn)形式，會引起材料的韌性下降，從而更容易發(fā)生脆性解理斷裂而失效。因此，研究等離子體輻照作用下W的力學(xué)性能變化及其損傷機制，對未來評價壁材料的服役性能和壽命預(yù)測具有十分重要的意義。
關(guān)于低能(< 100 eV) H/D等離子體輻照對于W力學(xué)性能的影響，一般認(rèn)為輻照引起的位錯、氣泡和孔洞等輻照缺陷是W產(chǎn)生硬化行為的主要原因[71]。Chen等[44]采用納米壓痕實驗和理論模型計算分別獲得了H等離子體在不同輻照溫度下W的壓痕硬度隨壓入深度的變化曲線，如圖13[44]所示。結(jié)果表明，輻照溫度為573 K的壓痕硬度高于1273 K的試樣，且1273 K的試樣與原始W的壓痕硬度相比沒有明顯變化，這是因為低溫時在W表面產(chǎn)生的氣泡周圍出現(xiàn)了明顯的位錯，而高溫時由于H的擴散能力增強，W中捕獲的H量減少，未出現(xiàn)明顯的氣泡和位錯。基于位錯密度定量化推導(dǎo)出的硬度預(yù)測理論模型亦證實，由于輻照而引起的位錯密度增加是引起輻照硬化的主要原因。Terentyev等[72]通過納米壓痕實驗測量載荷-位移曲線，研究輻照對亞表面硬度和塑性的影響，認(rèn)為輻照后W的硬度增加是由于納米孔洞的存在，阻礙了壓痕下方產(chǎn)生的幾何必需位錯的運動。Zayachuk等[73]采用納米壓痕技術(shù)對D等離子體輻照的軋制態(tài)W和再結(jié)晶態(tài)W樣品進(jìn)行了硬度測試，硬度均有顯著增加，且再結(jié)晶W的硬化程度比軋制態(tài)W更高，推測是由于軋制態(tài)W晶粒中的位錯捕獲了擴散的D原子，降低了D原子的擴散率，進(jìn)而提高了硬化率。Fang等[74]利用納米壓痕法研究了W在D等離子體輻照下的力學(xué)性能，并對樣品在不同的D脫附時間進(jìn)行壓痕測試，結(jié)果表明，W出現(xiàn)了明顯的硬化現(xiàn)象，原因是D降低了缺陷的形成能，促進(jìn)了W中的位錯形核。在施加載荷的過程中，位錯增殖及位錯間相互作用導(dǎo)致了輻照硬化，并且由于W晶格中D原子的存在釘扎了位錯，導(dǎo)致硬度增加。
W在服役過程中不僅要承受穩(wěn)態(tài)等離子體輻照，還可能承受瞬態(tài)高熱流事件。通常采用的研究方法有2種：第1種是順序輻照，即對W先進(jìn)行等離子體輻照，再進(jìn)行瞬態(tài)高熱流輻照；第2種是同時輻照，即對W同時進(jìn)行等離子體輻照和瞬態(tài)高熱流輻照。
關(guān)于順序輻照，Van Eden等[78]利用H等離子體對W表面進(jìn)行輻照，再利用激光模擬瞬態(tài)高熱流作用，發(fā)現(xiàn)在相同的激光參數(shù)條件下，H等離子體輻照后的W表面更容易發(fā)生熔化行為，說明H等離子體輻照造成的缺陷導(dǎo)致W熱導(dǎo)率降低，進(jìn)而使其在受到熱負(fù)荷作用時，輻照損傷更加嚴(yán)重。等離子體輻照對于W再服役力學(xué)性能的退化，主要體現(xiàn)在發(fā)生氫脆和韌性下降。Wirtz等[79~81]利用H等離子體對W進(jìn)行輻照后，再采用電子束模擬瞬態(tài)高熱流，發(fā)現(xiàn)在預(yù)先受到等離子體輻照的樣品表面，高熱流造成的開裂深度更淺但是裂紋的數(shù)量大幅增加，而且裂紋還會向未經(jīng)過熱負(fù)荷輻照的區(qū)域擴展。這可能是由于H等離子體輻照產(chǎn)生的氫泡會降低塑性，H原子降低了化學(xué)鍵作用力，形成氫化物等原因，造成晶格內(nèi)部出現(xiàn)過飽和應(yīng)力從而發(fā)生氫脆，進(jìn)而使得W在熱負(fù)荷作用下開裂加重[82]。賈玉振[26]利用穩(wěn)態(tài)D等離子體和脈沖D等離子體對W進(jìn)行順序輻照，其中脈沖D等離子體能量約為2 eV，主要是等離子體的高熱流作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等離子體輻照后在W的內(nèi)部形成氘泡，當(dāng)材料再受到高熱流作用時，氘泡出現(xiàn)明顯長大的現(xiàn)象，氣泡邊緣也出現(xiàn)了明顯的開裂現(xiàn)象，并且表面出現(xiàn)了大量孔洞。該現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于等離子體脈沖的高熱量造成表面氣泡表層的應(yīng)變速率提高，從而導(dǎo)致W的韌性明顯下降，因此表面氣泡發(fā)生開裂現(xiàn)象。孔洞形成的原因也是高溫下W表面氘泡長大破裂的原因[26]。
由此可見，順序輻照時，首先等離子體輻照導(dǎo)致W近表層產(chǎn)生氣泡和位錯等缺陷，這些輻照缺陷可能引起W的熱導(dǎo)率降低和表面硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致W在瞬態(tài)高熱流作用下更容易發(fā)生表面開裂和熔化。因此，等離子體輻照條件下W再服役性能降低的主要原因是等離子體輻照引起了W熱導(dǎo)率和力學(xué)性能的下降。
關(guān)于同時輻照，賈玉振[26]同時利用穩(wěn)態(tài)D等離子體和脈沖等離子體(瞬態(tài)高熱流作用)對W進(jìn)行了輻照，認(rèn)為瞬態(tài)高熱流作用對表面起泡行為有顯著影響。當(dāng)熱流密度較低時，瞬態(tài)熱流會導(dǎo)致表面氣泡內(nèi)部的氣體壓強增大，從而促進(jìn)表面氣泡的形成。當(dāng)熱流密度較高時，瞬態(tài)高熱流會抑制表面起泡行為，可能的原因是高溫造成近表面D滯留量的下降。另外，Jia等[83]的研究也發(fā)現(xiàn)，瞬態(tài)高熱流對于表面起泡行為的促進(jìn)作用，在[110]和[001]表面較為明顯。主要原因是在穩(wěn)態(tài)等離子體輻照條件下，[110]和[001]表面并沒有明顯的表面起泡。當(dāng)瞬態(tài)高熱流作用時，氣泡內(nèi)壓強增大會造成表面變形，因此瞬態(tài)高熱流對表面起泡行為的促進(jìn)作用較為明顯。而在[111]表面上，穩(wěn)態(tài)等離子體輻照條件下大部分氘泡可以引起表面起泡，此時瞬態(tài)高熱流對起泡行為的促進(jìn)作用不明顯。
同時輻照時的協(xié)同增強作用導(dǎo)致W表面裂紋的產(chǎn)生閾值更低[84]。Morgan等[84]利用穩(wěn)態(tài)等離子體和激光脈沖引起的瞬態(tài)高熱流對W表面分別進(jìn)行了同時輻照、順序輻照和穩(wěn)態(tài)等離子體/瞬態(tài)高熱流單獨輻照，結(jié)果如圖14[84]所示。在同時輻照條件下，穩(wěn)態(tài)等離子體和瞬態(tài)高熱流對W的表面損傷具有協(xié)同增強作用，輻照過程中造成的輻照缺陷的演變，導(dǎo)致W出現(xiàn)不同的表面損傷行為。相比于單獨穩(wěn)態(tài)等離子體輻照、瞬態(tài)熱負(fù)荷作用和順序輻照，同時輻照W的損傷閾值更低，表明穩(wěn)態(tài)等離子體和瞬態(tài)高熱流的協(xié)同作用損傷程度更高。
圖14W受到僅穩(wěn)態(tài)等離子體輻照、僅瞬態(tài)高熱流脈沖、順序輻照、同時輻照后的表面形貌[84]
Fig.14Morphologies of W after different exposures[84]
(a) only steady state plasma exposure
(b) only transient state high heat loads laser
(c) consecutive exposure, laser induced transient heat loads on pre-exposed plasma
(d) simultaneous exposure
因此，未來的研究需要構(gòu)建微納尺度損傷結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能關(guān)系的模型，進(jìn)而分析粒子流/熱流協(xié)同作用對W損傷行為的影響，為提高W服役性能的研究奠定理論基礎(chǔ)。
本文圍繞H/D等離子體輻照作用下W的損傷行為，從表面起泡行為和服役性能2方面詳細(xì)介紹了其研究現(xiàn)狀。表面氣泡的形核和長大與位錯(環(huán))等缺陷有關(guān)，這些輻照缺陷會導(dǎo)致W的熱導(dǎo)率、力學(xué)性能和服役性能的下降，以及粒子流/高熱流條件下的不同損傷行為。因此，有必要建立微納尺度損傷的組織結(jié)構(gòu)與服役性能內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而通過調(diào)控W的微觀組織以實現(xiàn)對服役性能的提升和使用壽命的延長。
表面起泡是等離子體作用下W最主要的微納尺度損傷行為。氣泡的形核機制有待進(jìn)一步的研究，目前，無法從實驗上證實氣泡形核是否與除<100>刃位錯的其他位錯類型有關(guān)，對于初始<100>刃型位錯的起源也缺少有利的實驗證據(jù)。因此，未來的工作可以通過采用塑性變形和增材制造等方法，調(diào)控W的微觀組織，形成不同位錯類型的位錯組態(tài)，進(jìn)而開展輻照實驗進(jìn)行驗證。在此基礎(chǔ)上，揭示在等離子體作用下W的微納尺度損傷規(guī)律。
對于損傷組織結(jié)構(gòu)的性能研究，首先應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)展可靠的表面熱導(dǎo)測試技術(shù)和力學(xué)性能測試技術(shù)，以實現(xiàn)對材料物理性能和力學(xué)性能的準(zhǔn)確測量，進(jìn)而建立損傷組織結(jié)構(gòu)與物理性能和力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)，為服役性能的研究奠定理論和實驗基礎(chǔ)。
建立損傷結(jié)構(gòu)和服役性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以為W的微觀組織調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。通過大塑性變形、增材制造和化學(xué)氣相沉積等工藝方法調(diào)控W的晶粒尺寸、晶界結(jié)構(gòu)和晶粒取向，從而實現(xiàn)：(1) 抑制W表面起泡行為，提高再服役性能；(2) 揭示輻照缺陷對性能的影響，進(jìn)一步建立輻照后W的損傷評價體系；(3) 對材料在實際服役過程中損傷情況進(jìn)行預(yù)測，以滿足未來聚變堆對面對等離子體材料的服役性能要求。
綜上所述，進(jìn)一步開展等離子體作用下W的損傷行為與性能評價的研究，不僅將為W的服役性能的評價和壽命評估提供理論基礎(chǔ)，而且也將為未來托卡馬克裝置中的W部件的研發(fā)提供有力支撐。
1等離子體作用下W的微納尺度損傷行為
1.1表面起泡現(xiàn)象及影響因素
圖1
圖2
圖3
圖4
圖5
1.2表面氣泡長大機制
圖6
圖7
圖8
圖9
1.3表面氣泡的形核機理
圖10
圖11
2等離子體作用下W的損傷與服役性能
2.1 W的導(dǎo)熱性能下降
圖12
2.2 W的力學(xué)性能退化
圖13
2.3粒子流/熱流協(xié)同作用下的損傷行為
圖14
3總結(jié)與展望