本發(fā)明專利技術(shù)屬于極端條件下使用的金屬材料強(qiáng)韌化和金屬材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種提高面向等離子體材料鎢表面抗氦離子輻照性能的方法。本申請以HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材作為源極，利用等離子表面合金化法在面向等離子體材料鎢表面沉積制備多元難熔合金涂層，由于HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材中不同元素的濺射率不同，導(dǎo)致最終形成的多元難熔合金涂層中主要元素是由表及里呈逐漸降低的梯度分布，提高了多元難熔合金涂層涂層與鎢的結(jié)合強(qiáng)度。同時，形成的以Hf、Nb、Ta、Ti和Zr為主元素的多元難熔合金涂層具有優(yōu)異的抗氦離子輻照性能。能。能。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種提高面向等離子體材料鎢表面抗氦離子輻照性能的方法
[0001]本專利技術(shù)涉及極端條件下使用的金屬材料強(qiáng)韌化和金屬材料表面改性
，尤其涉及一種提高面向等離子體材料鎢表面抗氦離子輻照性能的方法。
技術(shù)介紹
[0002]核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的聚變能是獲得世界公認(rèn)的可以解決現(xiàn)有能源問題的一種重要潛在能源，采用強(qiáng)磁場約束高溫等離子體的托卡馬克(Tokamak)裝置是一種最容易接近聚變條件且最有希望實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的裝置。但若要將這種裝置推向工業(yè)化或商業(yè)化，還存在很多未解決的難題，其中關(guān)鍵之一就是面向等離子體材料(Plasma Facing Materials，PFMs)的選擇。PFMs包括真空室內(nèi)壁即第一壁和真空室底部的偏濾器，在核聚變堆運(yùn)行過程中需承受穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)高熱負(fù)荷、大量高能等離子體沖刷、高能中子輻照等嚴(yán)酷苛刻工況，因此，PFMs需滿足導(dǎo)熱率高、熔點(diǎn)高、抗熱沖擊性能好、濺射率低等基本要求。鎢由于具有高熔點(diǎn)、高密度、高熱導(dǎo)率、高的抗粒子濺射能力以及低的氚滯留等特點(diǎn)被認(rèn)為是未來核聚變裝置用直接面向高能等離子體的第一候選材料，但若要將其應(yīng)用于實(shí)際中還存在很多未解決的問題，如再結(jié)晶脆性、低溫脆性、輻照脆化及硬化等。尤其是當(dāng)作為PFMs應(yīng)用于核聚變堆中時，鎢將直接暴露在大量氫(氘、氚)、氦等高能粒子以及高能中子的輻照環(huán)境下，致使鎢表面產(chǎn)生大量輻照損傷，影響核聚變堆的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，提高金屬鎢的抗輻照性能就成為了其作為PFMs在核聚變堆中應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0003]公開號為CN111074199A的中國專利公開了一種鎢合金表面高熵合金層的制備方法，利用雙層輝光等離子冶金技術(shù)在鎢基合金表面制備一層均勻、致密的W
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Ta
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Cr高熵合金復(fù)合滲鍍層。但是，該中國專利中并未對所得高熵合金復(fù)合滲鍍層進(jìn)行抗輻照性能測試方法、過程和結(jié)果進(jìn)行清晰表述和列舉，而僅通過結(jié)合力測試結(jié)果和對比無法直接推斷W
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Ta
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Cr高熵合金復(fù)合滲鍍層具有優(yōu)良的抗高溫氧化性能和抗輻照性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
[0004]有鑒于此，本專利技術(shù)的目的在于提供一種提高面向等離子體材料鎢表面抗氦離子輻照性能的方法，本專利技術(shù)提供的方法得到的多元難熔合金涂層使得鎢的抗氦離子輻照性能大幅提高。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述專利技術(shù)目的，本專利技術(shù)提供以下技術(shù)方案：
[0006]本專利技術(shù)提供了一種提高面向等離子體材料鎢表面抗氦離子輻照性能的方法，包括以下步驟：
[0007]對面向等離子體材料鎢進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理鎢；
[0008]將所述預(yù)處理鎢和HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材分別進(jìn)行等離子清洗，得到清洗鎢和清洗靶材；
[0009]所述清洗靶材利用等離子表面合金化法沉積到所述清洗鎢上，在所述面向等離子材料鎢的表面形成多元難熔合金涂層，實(shí)現(xiàn)提高面向等離子體材料鎢表面抗氦離子輻照性
能的目的；
[0010]所述HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材中Hf、Nb、Ta、Ti和Zr的摩爾比為1：1：1：1：1。
[0011]優(yōu)選地，所述預(yù)處理包括依次進(jìn)行除油、打磨和超聲清洗；所述除油的試劑為含有金屬清洗劑的水溶液；所述打磨為砂紙打磨，所述砂紙打磨的砂紙為碳化硅水砂紙；所述超聲清洗的試劑包括乙醇。
[0012]優(yōu)選地，所述等離子清洗的參數(shù)獨(dú)立地包括：所述HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材的下方到所述預(yù)處理鎢的表面的距離為15～18mm，工作氣體為氬氣，所述氬氣的流量為25～40sccm，工作電壓為35
±
2Pa，清洗時間為30～60min。
[0013]優(yōu)選地，所述等離子清洗在等離子表面合金化裝置中進(jìn)行，所述預(yù)處理鎢置于所述等離子表面合金化裝置的樣品臺上，所述HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材通過夾具固定在所述等離子表面合金化裝置中的源極懸掛架上。
[0014]優(yōu)選地，所述等離子表面合金化法沉積的參數(shù)包括：所述清洗靶材的下方到所述清洗鎢的表面的距離為15～18mm，工作氣體為氬氣，所述氬氣的流量為25～40sccm，工作電壓為35
±
2Pa，溫度為850～950℃，所述清洗鎢和清洗靶材之間的電壓差為200～300V，保溫時間為3～6h。
[0015]優(yōu)選地，所述等離子表面合金化法沉積在等離子表面合金化裝置中進(jìn)行，所述清洗鎢置于所述等離子表面合金化裝置的樣品臺上，所述清洗靶材通過夾具固定在所述等離子表面合金化裝置中的源極懸掛架上。
[0016]本專利技術(shù)提供了一種提高面向等離子體材料鎢表面抗氦離子輻照性能的方法，包括以下步驟：對面向等離子體材料鎢進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理鎢；將所述預(yù)處理鎢和HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材分別進(jìn)行等離子清洗，得到清洗鎢和清洗靶材；所述清洗靶材利用等離子表面合金化法沉積到所述清洗鎢上，在所述面向等離子材料鎢的表面形成多元難熔合金涂層，實(shí)現(xiàn)提高面向等離子體材料鎢表面抗氦離子輻照性能的目的；所述HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材中Hf、Nb、Ta、Ti和Zr的摩爾比為1：1：1：1：1。本申請以HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材作為源極，利用等離子表面合金化法沉積來制備多元難熔合金涂層，由于HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材中元素的濺射率不同，導(dǎo)致最終形成的多元難熔合金涂層中的主要元素是由表及里呈逐漸降低的梯度分布，提高了多元難熔合金涂層涂層與鎢的結(jié)合強(qiáng)度。同時，形成的以Hf、Nb、Ta、Ti和Zr為主元素的多元難熔合金涂層具有優(yōu)異的抗氦離子輻照性能。
附圖說明
[0017]圖1為等離子表面合金化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為實(shí)施例1～3所得試樣和純鎢的X射線衍射圖譜；
[0019]圖3為實(shí)施例4～5所得試樣和純鎢的X射線衍射圖譜；
[0020]圖4為實(shí)施例1～5所得試樣的表面劃痕形貌圖；
[0021]圖5為實(shí)施例1所得試樣的表面形貌圖；
[0022]圖6為實(shí)施例2所得試樣的表面形貌圖；
[0023]圖7為實(shí)施例3所得試樣的表面形貌圖；
[0024]圖8為實(shí)施例4所得試樣的表面形貌圖；
[0025]圖9為實(shí)施例5所得試樣的表面形貌圖；
[0026]圖10為未處理的鎢片的表面形貌圖；
[0027]圖11為未處理的鎢片進(jìn)行氦離子輻照后的表面形貌圖；
[0028]圖12為實(shí)施例1所得試樣進(jìn)行氦離子輻照后的表面形貌圖；
[0029]圖13為實(shí)施例2所得試樣進(jìn)行氦離子輻照后的表面形貌圖；
[0030]圖14為實(shí)施例3所得試樣進(jìn)行氦離子輻照后的表面形貌圖；
[0031]圖15為實(shí)施例4所得試樣進(jìn)行氦離子輻照后的表面形貌圖；
[0032]圖16為實(shí)施例5所得試樣進(jìn)行氦離子輻照后的表面形貌圖；
[0033]其中，1
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腔室，2
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鐘罩，3
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靶材本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
1.一種提高面向等離子體材料鎢表面抗氦離子輻照性能的方法，其特征在于，包括以下步驟：對面向等離子體材料鎢進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理鎢；將所述預(yù)處理鎢和HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材分別進(jìn)行等離子清洗，得到清洗鎢和清洗靶材；所述清洗靶材利用等離子表面合金化法沉積到所述清洗鎢上，在所述面向等離子材料鎢的表面形成多元難熔合金涂層，實(shí)現(xiàn)提高面向等離子體材料鎢表面抗氦離子輻照性能的目的；所述HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材中Hf、Nb、Ta、Ti和Zr的摩爾比為1：1：1：1：1。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理包括依次進(jìn)行除油、打磨和超聲清洗；所述除油的試劑為含有金屬清洗劑的水溶液；所述打磨為砂紙打磨，所述砂紙打磨的砂紙為碳化硅水砂紙；所述超聲清洗的試劑包括乙醇。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述等離子清洗的參數(shù)獨(dú)立地包括：所述HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材的下方到所述預(yù)處理鎢的表面的距離為15～18mm，工作氣體為氬氣，所述氬氣的流量為25～40s...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：林乃明，吳玉程，雷晨慶，閆江山，王振霞，
申請(專利權(quán))人：太原理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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