低能氦離子輻照誘導(dǎo)的鎢材料結(jié)構(gòu)演化

李萌 范紅玉 崔荷敬 范宏裕 韋理山

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低能氦離子輻照誘導(dǎo)的鎢材料結(jié)構(gòu)演化

李萌 范紅玉 崔荷敬 范宏裕 韋理山

（大連民族大學(xué)物理與材料工程學(xué)院 大連116600）

在溫度為923 K、氦離子流強(qiáng)為7×1021m?2·s?1的條件下，考察了低能氦離子輻照對(duì)鎢材料表面結(jié)構(gòu)的影響。采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)、導(dǎo)電原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscope, CAFM)、稱重法、X射線衍射(X-ray Diffraction, XRD)以及電子背散射衍射(Electron Back-Scattered Diffraction,EBSD)對(duì)輻照后鎢材料的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律進(jìn)行了分析。SEM和CAFM的研究表明，在輻照初期樣品表面形成了納米尺寸的氦泡，隨著輻照劑量的增加，氦泡的尺寸和密度逐漸增加，最終引起鎢表層的剝落。質(zhì)量損失和濺射產(chǎn)額的分析結(jié)果表明，鎢材料表層的剝落是鎢損傷的主要形式。SEM、XRD和EBSD的分析證實(shí)了輻照后鎢樣品的表面形貌變化與晶體取向之間具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。研究結(jié)果表明，相對(duì)于(101)，氦原子更容易在(111)和(001)等晶面上吸附、擴(kuò)散和聚集，這些研究結(jié)果將為面向等離子體材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有用的參考。

低能氦離子，鎢，表面形貌，氦泡

在熱核聚變反應(yīng)堆裝置中，面向等離子體材料(Plasma Facing Materials, PFMs)是指直接面向等離子體，將等離子體與真空室器壁和其他內(nèi)部組件隔離的材料[1]。在聚變反應(yīng)正常運(yùn)行時(shí)，PFMs將遭受高溫、高熱負(fù)荷、大流強(qiáng)離子束以及中子輻照等極端條件考驗(yàn)。這些復(fù)雜的相互作用和惡劣的工作環(huán)境對(duì)PFMs的性能提出了極大的挑戰(zhàn)[2?3]。鎢(W)因具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、低濺射產(chǎn)額等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最有希望的PFM之一[4]。

然而在實(shí)際的輻照環(huán)境中，W也會(huì)發(fā)生輻照損傷。如：起泡、刻蝕以及微觀結(jié)構(gòu)的變化等[5?8]。Kajita等[4]發(fā)現(xiàn)當(dāng)各種金屬暴露于氦(He)等離子體中時(shí)會(huì)產(chǎn)生特殊的納米結(jié)構(gòu)。它們的表面形態(tài)隨輻照條件而變化；BaldWin等[6]發(fā)現(xiàn)，W以及W合金等材料暴露于純He或He混合的等離子體輻照時(shí)，其表面出現(xiàn)絨毛狀結(jié)構(gòu)層；Zenobia等[7]研究了在高溫和垂直入射時(shí)30 keV He離子對(duì)多晶W的輻照損傷效應(yīng)。在離子劑量大于1.0×1018cm?2時(shí)可觀察到W材料的表面形態(tài)發(fā)生明顯變化，并可分為氣泡狀、點(diǎn)狀和草狀三種表面結(jié)構(gòu)。這些輻照引起的表面變化將影響W材料對(duì)入射離子或原子的阻擋能力，降低其導(dǎo)熱性，增加氚滯留，嚴(yán)重影響W材料的使用壽命。因此，許多研究人員在W材料的輻照損傷行為和損傷機(jī)制上做了大量的工作。Tanyeli等[8]分析了暴露于低能大流強(qiáng)He離子輻照下的幾種金屬表面結(jié)構(gòu)的演變過程。研究認(rèn)為大劑量低能He離子輻照誘導(dǎo)的空隙缺陷生長和物理濺射在材料的表面改性中具有重要作用。Sandoval等[9]使用分子動(dòng)力學(xué)模擬了W表面氣泡缺陷的生長過程，并提出了兩種基于泡缺陷表面上的間隙原子移動(dòng)的生長機(jī)制。Ito等[10]利用幾種模擬方法研究了He泡和鎢絲狀納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，提出了滲透、擴(kuò)散、He泡生長、納米絲生長的4個(gè)步驟。

盡管國內(nèi)外科學(xué)工作者針對(duì)W材料的輻照損傷過程開展了大量的實(shí)驗(yàn)和模擬工作，但是W的輻照損傷過程是非常復(fù)雜的，特別是低能He離子輻照損傷過程仍有許多工作需要完善。如W材料的表面微觀結(jié)構(gòu)演化、表面形貌與鎢晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系等。在目前的工作中，我們考察了200 eV He離子對(duì)W材料的輻照損傷過程，研究了離子劑量從1.0×1025cm?2增加到1.0×1026cm?2時(shí)W材料的表面結(jié)構(gòu)演化，并詳細(xì)研究了W表面形態(tài)與晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性，這對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)W材料的輻照損傷機(jī)制，促進(jìn)W基面向等離子體材料的發(fā)展上具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)中使用的多晶W購于廈門虹鷺鎢鉬工業(yè)有限公司，純度為99.95%。首先將其切割成10mm×10 mm×2 mm的尺寸，然后機(jī)械拋光至鏡面，表面粗糙度<0.1 μm。將拋光后的W樣品放置于10?5Pa的反應(yīng)釜中，1373 K下退火2 h，以釋放W內(nèi)部應(yīng)力并降低樣品表面缺陷。輻照實(shí)驗(yàn)在大功率材料輻照實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行[11]。采用200 eV的He離子垂直作用于樣品表面，輻照時(shí)溫度為923 K。He離子流強(qiáng)恒定在7×1021cm?2·s?1，He離子劑量從1.0×1025cm?2變化到1.0×1026cm?2。輻照完成后，采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)、導(dǎo)電原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscope, CAFM)、稱重法、X射線衍射(X-ray Diffraction,XRD)以及電子背散射衍射(Electron Back-Scattered Diffraction,EBSD)對(duì)鎢材料的表面結(jié)構(gòu)、缺陷分布以及晶體結(jié)構(gòu)等規(guī)律進(jìn)行了分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

圖1給出了He離子輻照前后W樣品的SEM圖像。如圖1(a)所示，未經(jīng)處理的W表面非常光滑。右側(cè)高分辨率SEM圖像顯示，W樣品為多晶結(jié)構(gòu)，表面光滑，晶界清晰可見[12]。相比之下，經(jīng)受1.0×1025cm?2He離子輻照后的W樣品表面非常粗糙，如圖1(b)所示。右側(cè)高分辨率SEM圖像顯示其表面存在許多凸起和孔洞。

提高He離子劑量至3.0×1025cm?2，可以明顯觀察到樣品表面變得更加粗糙，且表面的凸起明顯增加（圖2(a)）。高分辨率SEM圖像顯示，這些凸起顆粒平均尺寸約為5mm，并伴有暗區(qū)。同時(shí)在樣品表面也觀察到了一些小尺寸的顆粒物。為了進(jìn)一步了解樣品表面微結(jié)構(gòu)的演變情況，我們對(duì)這些小尺寸的顆粒進(jìn)行了更高分辨率的觀測(cè)?？梢钥闯?，小尺寸的顆粒物主要有兩種典型的結(jié)構(gòu)：一種為球狀駝峰結(jié)構(gòu)，其表面覆蓋波浪式條紋，如圖2(b)所示。這種結(jié)構(gòu)可歸屬為大尺寸的He泡。這是因?yàn)榇髣┝縃e離子輻照后，He原子在樣品表面聚集，泡內(nèi)壓隨著He原子數(shù)量而逐漸增加，當(dāng)泡壓大于W表面原子的鍵合能時(shí)，He泡沖破樣品表面，泡壓得以釋放[13]，同時(shí)在樣品表面形成另一種結(jié)構(gòu)——孔洞結(jié)構(gòu)，如圖2(c)所示。

圖1 未處理W (a)和用1.0×1025cm?2 He離子輻照后 W表面(b)的SEM圖像，右側(cè)為左側(cè)圖像局部放大圖

圖2 采用3.0×1025cm?2 He離子輻照后W的SEM圖像(a)及其局部放大圖和高分辨SEM測(cè)得的兩種典型的結(jié)構(gòu)(b、c)

進(jìn)一步提高He離子劑量至6.0×1025cm?2，在W的表面上可以看到兩種不同的表面結(jié)構(gòu)（圖3(a)）：一種是相對(duì)平滑的表面，類似于圖1(b)；另一種是相對(duì)粗糙的表面，它由許多不同尺寸的凸起組成，且彼此交疊。圖3(b)是經(jīng)過1.0×1026cm?2He離子輻照后的W樣品的SEM圖像。樣品表面也同時(shí)具有光滑和粗糙兩種表面結(jié)構(gòu)，但粗糙表面的比例明顯增加。這主要是因?yàn)镠e原子在不同晶向的W晶粒上的擴(kuò)散和聚集情況不同[14]，從而導(dǎo)致不同晶面上形成的He泡的數(shù)量和密度不同。

我們對(duì)樣品表面上粗糙區(qū)域進(jìn)行高分辨的SEM分析，圖4(a?d)給出了樣品表面一些典型的微觀形貌?？梢钥吹?，這些顆粒從表面凸起，具有清晰的晶界（圖4(a)、(b)），在晶界上也發(fā)現(xiàn)了許多孔洞（圖4(a)、(c)、(d)），這些孔洞結(jié)構(gòu)給出了He泡破裂的直接證據(jù)，所以粗糙的鎢表面微觀結(jié)構(gòu)可解釋為高壓He泡所引起的表面腫脹。同時(shí)在樣品表面也可觀察到一些波浪狀結(jié)構(gòu)。這也從另一個(gè)方面說明He泡形成、破裂等過程會(huì)影響樣品表面的刻蝕[15]。

圖3 經(jīng)He離子劑量為6.0×1025cm?2 (a)和1.0×1026cm?2 (b)輻照后W的SEM圖像，右側(cè)為左側(cè)圖像局部放大圖

圖4 采用6.0×1025cm?2 He離子輻照后W表面上的幾種典型形貌

2.2 質(zhì)量損失和濺射率分析

采用稱重法計(jì)算了W材料隨He離子輻照劑量變化的質(zhì)量損失，并以此計(jì)算了濺射產(chǎn)額。如圖5所示，當(dāng)離子輻照劑量從1×1025cm?2增加到1×1026cm?2時(shí)，質(zhì)量損失從4 mg迅速增加到44 mg。然而，濺射產(chǎn)額幾乎保持恒定（約7×10?4W/He+）。這表明當(dāng)離子能量(200 eV)大于W的閾值能(90 eV)時(shí)，會(huì)形成較強(qiáng)的離子表面濺射作用[16]。文獻(xiàn)[16?17]中的分子動(dòng)力學(xué)模擬得出，200 eV的He離子對(duì)W晶的濺射產(chǎn)率約為1×10?3W/He+。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[16]中的數(shù)據(jù)基本一致。W濺射引起的質(zhì)量損失可由式(1)計(jì)算得出：

式中：m是W的質(zhì)量損失；MW是W的摩爾質(zhì)量；S是W樣品的輻照面積；F是He離子的劑量；r是濺射產(chǎn)額；N是阿伏伽德羅常數(shù)。

以輻照劑量為1.0×1025cm?2He離子輻照的W樣品為例，濺射引起的質(zhì)量損失約為0.2 mg，小于實(shí)際質(zhì)量損失（約4 mg）。因此由He泡破裂引起的W表層的剝落是W質(zhì)量損失的主要原因。

2.3 缺陷分布分析

采用CAFM對(duì)He離子輻照后W的表面缺陷分布進(jìn)行了分析，如圖6所示，CAFM測(cè)量時(shí)的Pt-Ir針尖負(fù)偏壓保持在10.0 mV不變，樣品掃描尺寸為500 nm。在表面形貌圖像（圖6(a)）中可以明顯觀察到一些表面凸起。這些突起隨著輻照劑量的增加，逐漸從條狀結(jié)構(gòu)慢慢發(fā)展為整個(gè)樣品表面，這可能與多晶W的晶粒取向有關(guān)。圖6(b)給出了樣品內(nèi)表面電流分布圖像，由電流分布圖像可以看到，輻照引起的納米尺寸缺陷分布與樣品表面的凸起尺寸和密度保持一致，這些納米尺寸的缺陷可以歸屬為小尺寸的He泡缺[17]，He原子在W樣品表面的滯留，引起W表面內(nèi)壓增加，導(dǎo)致納米尺寸凸起的產(chǎn)生。

2.4 晶體結(jié)構(gòu)分析

通過XRD觀察了He離子輻照對(duì)W晶體結(jié)構(gòu)的影響。如圖7(a)所示，可以看出(110)、(200)和(211)面的衍射峰位置幾乎沒有變化。然而，經(jīng)He離子輻照后，(110)的峰強(qiáng)度降低，(200)的峰強(qiáng)度增加。(110)和(200)的衍射峰強(qiáng)度之比隨He離子劑量變化曲線如圖7(b)所示。(110)/(200)隨He離子劑量而增加。W是體心立方(Body-Centered Cubic, BCC)材料。在BCC晶體結(jié)構(gòu)中，(110)晶面具有最高的面密度，且該晶面中W原子之間的結(jié)合能最強(qiáng)。這意味著(110)晶面的鎢原子溢出阻力最強(qiáng)。XRD的結(jié)果也清楚地表明，不同的晶面具有不同程度的損傷。

圖6 CAFM分析用W的表面形貌(a)和同時(shí)測(cè)量的電流圖像(b)隨離子輻照劑量的變化

為了研究晶粒取向與表面微觀形貌之間的關(guān)系，我們對(duì)樣品進(jìn)行了EBSD測(cè)量。圖8給出了EBSD極圖以及對(duì)應(yīng)的不同晶面的表面形貌。如圖8所示，不同晶面輻照后的表面形貌存在明顯差異。(100)表面比較粗糙，表面形成了小丘和波紋狀的凸起，而(111)表面相對(duì)光滑，表面有大波浪及小孔的結(jié)構(gòu)。(101)表面最為光滑，但是也能明顯看到He泡破裂后形成的表面小孔結(jié)構(gòu)。結(jié)合XRD結(jié)果，可以得出(101)晶面的輻照損傷最低，因此具有平行于(101)晶向的鎢晶材料將具有更好的抗輻照性能。

圖7 未輻照和不同劑量He離子輻照后鎢樣品的XRD譜圖(a)和(110)與(200)峰強(qiáng)度之比隨He離子輻照劑量的變化曲線(b)

圖8 EBSD極圖以及對(duì)應(yīng)不同W晶向的表面形貌

3 結(jié)語

在923 K、200 eV He離子輻照下，研究了離子輻照誘導(dǎo)的多晶鎢微觀形態(tài)和晶體演化過程。He離子劑量從1.0×1025cm?2增加至1.0×1026cm?2。研究表明，He原子從樣品表面擴(kuò)散至W晶格內(nèi)，在W晶格內(nèi)聚集長大形成He泡缺陷。He泡內(nèi)壓的增加，導(dǎo)致W表層的剝落，這是W輻照損傷的主要過程。同時(shí)研究也表明了輻照后多晶W的樣品表面形貌與晶粒的取向具有一定的關(guān)聯(lián)性，不同取向的晶粒表面形貌存在明顯差異，且(101)晶面形貌最光滑，表現(xiàn)出了最低的輻照損傷效應(yīng)，這表明(101)晶向的晶粒具有最好的抗輻照損傷效應(yīng)。這些研究結(jié)果表明，控制晶體取向是降低PFMs材料損傷效應(yīng)的方法之一。

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Low-energy helium-ions irradiation induced morphology and crystalline evolution of tungsten

LI Meng FAN Hongyu CUI Hejing FAN Hongyu WEI Lishan

(School of Physics and Materials Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

Currently, tungsten has been selected as one of the best plasma-facing materials for international thermonuclear experimental reactor (ITER) due to its low hydrogen solubility, low sputtering yield, high melting point and high thermal conductivity.In this paper, the responses of polycrystalline tungsten to low-energy helium-ions irradiation were investigated.Helium-ions irradiation was performed at 923 K with a He+flux of 7′1021m?2×s?1. A strong correlation between the surface morphology change and the grain orientation was confirmed from scanning electron microscope (SEM), conducive atomic force microscope (CAFM), X-ray diffraction (XRD) and electron backscattered diffraction (EBSD) analysis.SEM and CAFM measurement revel that nano-scale helium bubble formed on the surface of tungsten at earlier stage. The size and number of the formed helium bubbles increase with the increase of helium fluence until they break. Mass loss and sputtering yields analysis indicated that the surface spalling caused by the damage of helium bubble is the main format of tungsten damage. XRD and EBSD found that helium atom is shown to be not energetically favorable to dissolve, self-trap and cluster at (101) surface in comparison to (111) and (001) surface.The results will provide a useful reference for optimization of the plasma facing materials.

Low energy helium ions, Tungsten, Morphology, He bubble

LI Meng, male, born in 1995,undergraduate, mainly engaged in the irradiation damage of plasma facing materials

FAN Hongyu, E-mail: fanhy@dlnu.edu.cn

2017-06-21, accepted date: 2017-07-17

TL62+7

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.100201

李萌，男，1995年出生，目前就讀于大連民族大學(xué)攻讀學(xué)士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)椴牧陷椪論p傷

范紅玉，E-mail: fanhy@dlnu.edu.cn

2017-06-21，

2017-07-17

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11405023), National Natural Science Foundation of Liaoning Province (No.201602189),College Students Innovation Training Project of China (No.G201612026048), “Taiyangniao” Student Research Project of Dalian Nationalities University(No.tyn2017xxx)

國家自然科學(xué)基金(No.11405023)、遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(No.201602189)、國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(No.G201612026048)和大連民族大學(xué)“太陽鳥”學(xué)生科研項(xiàng)目(No.tyn2017xxx)資助