● 摘要
钨具有高熔点、高溅射阈值、低溅射产额、不与氢及其同位素反应等优点，被看做最有前途的面对等离子体材料。但钨的低温脆性使其极易在晶界产生裂纹，形成晶界断裂。钨的高温重结晶现象又严重的会降低钨的机械性能。考虑到聚变堆运行特殊地工作环境，所以钨的研究被提到了相当高的重视程度，因为它直接关系着聚变堆能否运行的关键。本文通过大量的实验研究了氦离子、氢及其同位素离子对钨和铌掺杂的钨及钨钼合金的辐照行为。借此了解氢、氦辐照损伤的机理，了解铌含量高低对钨铌合金抗辐照性能的影响，通过钨钼合金与钨氘、氦离子辐照实验比较了解钨钼合金的抗辐照性能。由于氢具有金属、非金属两面性，决定了氢和其同位素极易溶解于钨。氢离子对钨辐照行为的影响严重依赖其束流、注量及辐照温度。通过逐渐增加束流和注量的方法研究了低束流情况下氢离子辐照对钨的影响。样品表面损伤也随着氢离子的辐照注量和束流的同时增加而增大。利用能量均分定律及高温下能量交换规律计算了2 × 1018 H+/cm2注量下样品表面再结晶温度达1484 K。计算了2 × 1019 H+/cm2注量下的表面熔化区温度值为4492 K，已超过了钨的熔点。作为面对等离子体材料，钨遭受的氢同位素及氦离子辐照最多。这两种离子在钨空洞内会发生协同效应，将引起表面起泡，泡密度分布严重受表面晶粒取向的影响。实验发现，表面晶粒取向接近（111）晶面的表面上泡密度最大，表面晶粒取向接近（001）晶面的表面上的泡密度最小，表面晶粒取向接近（101）晶面的表面面上泡密度居中。实验显示离子辐照诱导起泡易于在表面晶粒取向接近（111）面的平面上形成，并且钨表面抗辐照晶面是（001）晶面。由于大晶面间距的晶面具有比较好的沟道效应，粒子易于在晶面间扩散迁移。由于扩散运动要受到面张力的作用，面张力最小的（111）晶面最先被撑破。在研究氢-氦协同效应中，我们不改变氦的注量而改变氢离子注量，实验发现，钨表面最大泡径没改变，说明空洞是在氢辐照前已存在，是相同注量的氦离子辐照造成的，在辐照过程中热空位迁移合并形成的空洞。间接证实了氢-氦协同效应中，氢起使泡长大的作用。当氦离子辐照注量不变时，钨表面损伤随着氢离子注量增加而增大，并且这种损伤还受表面晶粒取向的影响。中子辐照是一种重要的高能粒子辐照，它会使钨发生肿胀等现象。我们用高能氩离子模拟中子辐照诱导钨产生大量的空洞，增加氦、氢粒子的滞留量，滞留量的增加会加剧氢-氦的协同效应。实验显示，在同样注量的氦、氢离子辐照下，氩离子预辐照样品比未预辐照的氢-氦协同效应增强、表面损伤增大。无论氩离子预辐照样品还是未预辐照的样品，氢-氦协同效应将随着氢离子辐照注量增加而增大。以实验推断，中子辐照可能增强了氢-氦协同效应，使钨损伤增加。合金强化是钨改性的一种方法，此法已被应用于金属的改性上。我们用60 keV能量的氦离子对W-1wt.%Nb和W-3wt.%Nb辐照，由于铌掺杂量的不同，同样辐照条件下W-3wt.%Nb的表面损伤大于W-1wt.%Nb的，这种不同主要是级联碰撞使内部原子的离位数目不同。W-1wt.%Nb和W-3wt.%Nb的表面损伤都随注量的增加而增大。实验显示，W-1wt.%Nb的抗氦离子辐照性能比W-3wt.%Nb的好。氦离子对W和W-Mo合金的辐照主要表现是内部原子的离位损伤。氦离子辐照下，W和W-Mo合金内经级联碰撞产生的空位数目不同。W-Mo合金内的空位率比W的高13个空位, 随着氦离子注量增加，W-Mo合金内产生的缺陷容积也比W增多，将容纳更多的氦和氢同位素，氢-氦的协同效应相应增强，协同效应表现出来的表面损伤也会更大。实验显示，W-Mo合金的抗氦离子辐照性能不如W。在对通过常规的粉末冶金方法制备的上述W及W合金材料进行辐照效应研究的同时，我们也试图通过其它方法制备W材料并研究其辐照效应。在本论文工作中，我们通过制备纳米钨粉试图来制备块体的W材料，以及通过磁控溅射方法制备掺杂合金元素的W薄膜材料。我们用凝胶氢还原法制备了具有纯度高、晶粒分布均匀、活性高、室温结构稳定、晶粒范围为200 ～ 500 nm的纳米W粉。另外，我们制备了掺杂合金元素Cr的W薄膜，厚度达3 µm。这些材料将被用于W的辐照效应的后续研究。