PW和W-Zr-Y2O3耐氘等離子體輻照性能研究

張 群，劉 鳳, ，曹 茹，徐玉平，周海山，羅廣南

（1. 南京理工大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 中國科學(xué)院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

0 引 言

核聚變裝置中，面向等離子體材料（Plasma-Facing Material, PFM）作為高溫等離子體外圍的第一道屏障，其優(yōu)異的性能是等離子體高參數(shù)穩(wěn)態(tài)運行的保證。金屬鎢（W）具有高熔點、高熱導(dǎo)率、低濺射產(chǎn)額、低氫同位素滯留和低中子活化等優(yōu)點，被認為是未來核聚變堆中最理想的 PFM[1-2]。W-PFM 在堆中的服役工況復(fù)雜嚴苛，包括高熱流（～10 MW m-2穩(wěn)態(tài)熱流與～1 GW m-2瞬態(tài)熱沖擊）與多種強粒子流（束流密度～1024m-2s-1的D/T等離子體及14 MeV高能中子）的作用。它們的協(xié)同加載使W材料面臨中子輻照脆化、高熱流輻照開裂、等離子體輻照起泡及絨毛化等一系列問題[2-4]。目前國際熱核聚變試驗堆（ITER）偏濾器部位 PFM 選用商業(yè)純鎢，該材料并不能滿足聚變示范堆（DEMO）的要求；因此亟須開發(fā)高性能W以消除或緩解上述問題。

國內(nèi)多家單位針對W的PFM應(yīng)用進行了多種新型 W 材料的研發(fā)，如：從顆粒彌散/微合金化增韌角度，中科院固體物理研究所開發(fā)了 W-Zr-Y2O3[5]；從塑性形變增韌角度，北京科技大學(xué)研發(fā)了軋制純鎢（PW-BK）[6]。這些新型W材料在熱物性或初步力學(xué)表征中已表現(xiàn)出較好的性能。本文利用東方超環(huán)（EAST）托卡馬克中的材料和等離子體評價系統(tǒng)（MAPES）對其進行D等離子體輻照，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和熱脫附譜（TDS）分析了輻照前后材料表面形貌變化和D滯留行為；并與安泰科技股份有限公司提供的ITER級別商業(yè)純鎢（PW-AT）[7]進行對比。以期研究結(jié)果能為高性能W材料研發(fā)提供參考作用。

1 試驗材料與方法

1.1 樣品準備

所用W材料分別為純鎢PW-AT（2 273 K氫氣氛燒結(jié)、1 373 K溫軋（壓下率～70 %））[7]、純鎢PW-BK（中頻感應(yīng)燒結(jié)、1 773 K熱軋（壓下率～60 %））[6]和摻雜鎢W-Zr-Y2O3（2 473 K真空燒結(jié)、1 923 K四道次熱軋（總壓下率～70 %））[5]。采用線切割切出 10 mm×10 mm×1 mm 方片。樣品表面先用180～3 000 #的砂紙機械拋光，然后在2 % NaOH（質(zhì)量分數(shù)）溶液中電化學(xué)拋光（～10 V，60 s），最后進行丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗，隨后烘干。

圖1展示了利用SEM背散射探頭拍攝的各樣品輻照面的顯微組織。從圖1可以看到，各樣品均具有細晶組織，晶粒尺度在2 μm左右。細致分析這些組織又有顯著區(qū)別。PW-AT的晶粒內(nèi)部具有不均勻的灰色襯度，晶粒之間襯度變化不明顯，晶界較模糊，其為溫軋產(chǎn)生的形變組織（橫向-法向面）。W-Zr-Y2O3晶粒為等軸細晶，細晶內(nèi)部灰度均勻，晶粒之間襯度對比明顯，晶界清晰，為典型再結(jié)晶形貌；其為熱軋過程中控制發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶生成[5]。PW-BK的組織介于兩者之間。這些微觀組織的生成與它們的制備工藝密切相關(guān)。

圖1 各鎢樣品輻照面顯微結(jié)構(gòu)SEM圖Fig.1 SEM images of the microstructure of the D irradiated surface for each sample

1.2 MAPES平臺D等離子體輻照

在EAST托卡馬克裝置運行期間，利用該裝置中的MAPES平臺開展了多種W材料的輻照試驗[8-9]。試驗時W樣品固定在不銹鋼材質(zhì)的樣品架上（圖2），每片樣品輻照面積為8 mm×8 mm。樣品表面位于活動限制器后方5 mm處，使用朗繆爾探針測得其局域電子溫度和密度分別為Te= 5～10 eV和ne=1×1018m–3。W材料共經(jīng)歷等離子體放電367炮，總輻照時間約為2 000 s。樣品背面貼有熱電偶，由于等離子體產(chǎn)生的熱量，測得的溫度變化范圍為323～623 K。

圖2 MAPES平臺在EAST中的位置與樣品安裝示意圖Fig.2 MAPES platform location and sample installation diagram in EAST

1.3 材料形貌變化及D滯留分析

為了分析D等離子體輻照對W樣品表面形貌的影響，采用ZEISS場發(fā)射型SEM對W表面進行了表征。由于輻照時樣品邊沿被樣品架覆蓋，可認為其保留了輻照前形貌；文中輻照前形貌圖為輻照后在樣品邊沿拍攝。

利用熱脫附譜儀（TDS）分析了輻照后W材料中的D滯留行為。TDS裝置為中國科學(xué)院等離子體物理研究所自主設(shè)計搭建[10]。試驗前樣品置于石英管樣品室內(nèi)，由真空泵組將樣品室抽至10–5Pa左右。升溫過程中，石英管與樣品同時被紅外爐加熱；K型熱電偶插入石英管頂部小孔，與樣品共同處于紅外爐均勻加熱區(qū)中，故可近似認為熱電偶溫度即為樣品溫度。利用四極質(zhì)譜儀（MKS公司產(chǎn)品，量程為1～100 amu）測量脫附氣體D2和HD的分壓，并結(jié)合EVAC公司提供的標準漏孔數(shù)據(jù)對脫附氣體進行了定量分析。本試驗所用升溫曲線為：1 K/s加熱至1 273 K。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎢樣品表面損傷行為分析

對D等離子體輻照前后的W樣品在SEM二次電子模式下進行了形貌表征。圖3（a）為純鎢PW-AT輻照前圖像，樣品表面光滑。圖3（b）、圖3（c）為PW-AT輻照后的圖像，可以觀察到樣品表面出現(xiàn)了亞微米尺度平臺狀或橢球狀起泡。文獻中[11-12]采用聚焦離子束切割輻照后W樣品截面發(fā)現(xiàn)，氣泡下的淺表層中存在嚴重的晶格扭曲變形并伴有微裂紋，甚至能看到臨近的晶界開裂。D等離子體輻照起泡的機理仍在探究當(dāng)中[2,11-13]。一般認為，表面起泡與高束流密度D等離子體轟擊在W樣品淺表層形成超高D溶解濃度有關(guān)。高濃度意味著高的平衡氣壓，引起材料局域高應(yīng)力場。溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時，應(yīng)力通過位錯運動（塑性形變）釋放，在材料表面起泡并在近鄰晶界形成孔洞；溫度低時，高應(yīng)力場直接引起淺表層材料開裂。

純鎢PW-BK輻照前表面光滑（圖3（d）），輻照后出現(xiàn)明顯微裂紋（圖3（e）、圖3（f））。微裂紋沿著某些晶界拓展，這些晶界之間的距離為幾十甚至上百微米，尺度與軋制后形成的母晶粒尺度相當(dāng)[6]。沿著裂紋拓展的路徑上，可以觀察到隨處分布的微米尺度鼓泡。鼓泡分兩種，大鼓泡尺度幾乎相同，約3 μm左右，裂紋一般沿鼓泡邊沿擴展；小鼓泡尺度不等，裂紋穿過鼓泡擴展。D等離子體輻照引起的W表面鼓泡現(xiàn)象文獻中尚未見報道，形成機理不清楚。通過EDS對鼓泡處的元素成分進行分析，發(fā)現(xiàn)大小鼓泡處氧含量均極高，氧鎢質(zhì)量比均接近甚至大于1/3；但兩者元素成分無明顯區(qū)別。圖4為典型EDS結(jié)果示例（其中微量Fe元素可能是不銹鋼材質(zhì)的樣品底座被等離子體刻蝕后遷移至樣品表面所致）。高的氧含量可能是由于粉體純度不夠或者制備過程中氣氛控制不當(dāng)所致。許多鼓泡四周出現(xiàn)了貫通的微裂紋；可以猜測在熱應(yīng)力或電磁力的作用下，這些鼓泡蓋極易脫落形成灰塵，將對高參數(shù)等離子體的運行造成極大破壞作用。

圖3 各鎢樣品D等離子體輻照前后表面形貌SEM圖Fig.3 SEM images of surface morphology of each W sample before and after D plasma exposure

圖4 輻照后PW-BK樣品表面鼓泡處EDS分析Fig.4 Example EDS result for the bubbling surface of PW-BK sample after D plasma exposure

圖3（g）展示了W-Zr-Y2O3樣品輻照前表面SEM圖像?；w內(nèi)W晶粒表面平整，晶界處散布著尺度約 2～3 μm的 Y-O-Zr顆粒。圖 3（h）、圖 3（i）為W-Zr-Y2O3樣品輻照后的SEM圖像?？梢钥吹?，經(jīng)過輻照樣品表面無明顯起泡或開裂，幾乎與輻照前樣品表面形貌一致。W-Zr-Y2O3優(yōu)異的耐D等離子體輻照性能與其微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。一方面，W-Zr-Y2O3良好的細晶組織（圖 1（c））能有效抑制輻照起泡。M. Miyamoto等[14]人探究超細晶W-1.1 % TiC（質(zhì)量分數(shù)）的D等離子體輻照后指出，因為D能沿晶界快速擴散，具有超細晶粒結(jié)構(gòu)的W材料能有效抑制表面起泡，表現(xiàn)出更佳的耐D等離子體輻照性能。另一方面，W-Zr-Y2O3中的細晶均為控制再結(jié)晶生成，晶粒內(nèi)部位錯密度低[5]，極可能抑制D輻照起泡。W.G.Guo等[12]人最近提出了D輻照起泡的刃型位錯形核機制，通過試驗證明了具有低密度位錯的材料減少了起泡形核率因而具有更優(yōu)的耐D等離子體輻照性能。

2.2 鎢樣品中D滯留行為分析

TDS譜是由樣品中不同的缺陷阱釋放峰耦合而成的，宏觀地展示了樣品整體的D滯留特征。圖5為D等離子體輻照后各W樣品的TDS譜（其中W-Zr-Y2O3展示了兩片樣品的結(jié)果）。從圖5可以看到，PW-AT樣品的D脫附溫區(qū)為400～1 200 K，具有三個明顯的脫附峰，其中低溫脫附峰位于 470 K附近，中溫脫附峰位于790 K附近，高溫脫附峰位于1 010 K附近。PW-BK樣品的D脫附溫區(qū)為400～1 200 K，有兩個明顯的脫附峰，低溫脫附峰位于430 K附近，較高溫脫附峰位于790 K附近（該峰與PW-AT樣品的中溫脫附峰位相同）。W-Zr-Y2O3樣品脫附溫區(qū)為350～450 K，具有單一的D脫附峰，位于400 K附近。

圖5 不同W材料D等離子體輻照后的TDS譜Fig.5 TDS spectra of different W materials after D plasma exposure in EAST

不同的脫附峰意味著W材料中不同的D俘獲缺陷類型。上述三個樣品中的D脫附峰可總結(jié)為三種，分別是低溫脫附峰 400～470 K、中溫脫附峰～790 K和高溫脫附峰～1 010 K。研究表明，低溫脫附峰可能與D從W晶界及位錯處脫附有關(guān)[15]。三種W材料均具有細晶組織（圖1），晶界密度高。此外，三種材料均經(jīng)過軋制處理，均有一定密度的位錯。因此，晶界和位錯對D的俘獲可能是產(chǎn)生低溫脫附峰的原因。有趣的是上述三個樣品的低溫脫附峰依次左移。考慮到輻照面晶粒尺度相差不大，峰位左移可能是位錯密度變化所致。從圖1可以判斷三種材料中的位錯密度依次降低，因而可能是位錯密度降低導(dǎo)致了峰位左移。高溫脫附峰可能與大尺度空位團簇或微孔洞對D的俘獲有關(guān)[16]。介于兩者之間的中溫脫附峰則可能是單空位對 D的俘獲所致[15]。

通過對TDS隨時間的釋放曲線進行積分，可以確定樣品中D的滯留總量。從圖5可以得出各W材料中D滯留量顯著不同。PW-AT中D滯留量最大；結(jié)合峰位分析可知，高D滯留主要為高密度的位錯、空位型缺陷所致。PW-AT中的高密度位錯和空位除了源自其形變組織，還可能與該材料表面起泡有關(guān)。研究表明，W表面起泡在材料中產(chǎn)生了大量位錯型和空位型缺陷，導(dǎo)致了D滯留顯著增加[12]。PW-BK中D滯留量明顯降低，與該材料較低密度的形變位錯、表面起泡得到抑制有關(guān)。W-Zr-Y2O3的D滯留量最低。為了說明該材料D滯留結(jié)果的穩(wěn)定可重復(fù)性，圖5中顯示了兩片相同W-Zr-Y2O3樣品的TDS譜，圖6為其放大圖?？梢钥吹?，雖然兩片樣品的D滯留量略有區(qū)別（材質(zhì)不均、在樣品架位置不同及 D等離子體參數(shù)隨機擾動等因素所致），但其總D滯留量遠小于PW-AT和PW-BK，故可忽略不討論。該結(jié)果充分顯示了W-Zr-Y2O3材質(zhì)輻照后低D滯留的特點。

圖6 兩片相同W-Zr-Y2O3樣品D等離子體輻照后的TDS譜Fig.6 TDS spectra of two identical W-Zr-Y2O3 samples after D plasma exposure

值得指出的是，雖然Zr是典型的吸氫材料[17]，微量Zr元素的添加并未造成W-Zr-Y2O3中D滯留量顯著增加?？赡芘cZr在該材料中以ZrC、ZrO、Y-O-Zr等形式存在有關(guān)[5]。研究表明Zr與C等具有極強的結(jié)合能[18]，如：即使在高溫2 273 K將ZrC暴露于真空中1 h或者高溫1 373 K時將ZrC暴露于氫氣1 h，ZrC仍能較好地保持自身結(jié)構(gòu)。Zr與C等穩(wěn)定結(jié)合可能減小了Zr的吸D效果，故在研究中并未造成D滯留的顯著增加。

3 結(jié) 論

在EAST托卡馬克裝置運行期間，通過MAPES平臺開展了三種鎢材料（PW-AT、PW-BK和W-Zr-Y2O3）的 D等離子體輻照試驗，分析了輻照前后各樣品表面的形貌變化以及D滯留行為，主要結(jié)論如下。

（1）中科院固體物理研究所提供的W-Zr- Y2O3展現(xiàn)出優(yōu)異的耐D等離子體輻照起泡性能，可能與其在熱軋過程中控制生成的等軸細晶組織密切相關(guān)。一方面，細晶意味著晶界密度高，D等離子體加載時能沿著晶界快速擴散，有效抑制了材料表面起泡。另一方面，等軸細晶組織為控制動態(tài)再結(jié)晶生成，位錯密度低，減少了表面起泡的形核率。

（2）中科院固體物理研究所提供的W-Zr- Y2O3具有最低 D滯留，與該材料中低密度的位錯/空位型缺陷有關(guān)。低位錯/空位源于該材料致密的等軸細晶組織，同時得益于D輻照起泡的有效抑制。

（3）北京科技大學(xué)制備的軋制純鎢表面起泡和D滯留均明顯優(yōu)于ITER級別純鎢，與該材料較優(yōu)的細晶組織有關(guān)；但材料表面出現(xiàn)了大量的微裂紋，并且沿裂紋分布了大量氧含量極高的鼓泡，需要優(yōu)化制備工藝改善其性能。