一種利用柱狀晶抑制鎢基面對等離子體材料起泡的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種利用柱狀晶抑制鎢基面對等離子體材料起泡的方法，屬于核聚變能源應(yīng)用領(lǐng)域。所述的方法是在鎢基面對等離子體材料表面制備柱狀晶結(jié)構(gòu)組織；所述的柱狀晶為呈長條狀的晶粒，并且其長軸按照垂直于表面的擇優(yōu)取向分布。制備柱狀晶結(jié)構(gòu)組織采用磁控濺射方法、化學氣相沉積方法或者熔鹽電化學沉積方法。本發(fā)明專利技術(shù)充分利用了柱狀晶垂直于表面排列的結(jié)構(gòu)，使得氫、氦可以沿著垂直于表面的晶界快速擴散，返回到等離子體中，是柱狀晶鎢材料應(yīng)用于抗輻照起泡的一個新的應(yīng)用。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于核聚變能源應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及，該專利技術(shù)適用于具有氫、氦及其同位素的等離子體輻照環(huán)境中，作為核聚變裝置中鎢基面對等離子體材料的晶粒組織。
技術(shù)介紹
現(xiàn)有化石能源儲量的日漸消耗，核裂變能源形式存在著安全和環(huán)境等問題；而核聚變能源不僅其資源儲量極其豐富，并且與裂變相比無放射性，非常安全，因此核聚變能源將可能成為人類的終極能源。在核聚變裝置中，面對等離子體材料(包括第一壁和偏濾器材料)要經(jīng)受高熱沖擊、高劑量的中子和氘、氦等離子體輻照等惡劣環(huán)境的考驗。金屬鎢由于具有高熔點、低濺射率而成為優(yōu)選的面對等離子體材料。但目前所用的鎢材料在氘、氦等離子體長時間輻照下會在表面產(chǎn)生起泡現(xiàn)象，這是由于氫、氦及其同位素在其表層下面聚集而導致的。嚴重的起泡現(xiàn)象會影響面對等離子體材料的服役狀況，造成表面起皮，嚴重影響等離子體的穩(wěn)定性，并縮短面對等離子體材料本身的壽命。因此，努力避免鎢基面對等離子體的表面起泡現(xiàn)象是核聚變材料領(lǐng)域的一個重要研究目標。為了抑制鎢基面對等離子體材料起泡，以前也有方法提出采用“梯度多孔結(jié)構(gòu)”來實現(xiàn)這一目的的。但梯度多孔結(jié)構(gòu)在抑制了起泡的同時，也有一個缺點:就是由于許多孔隙的存在，降低了有效傳熱截面，因此也就降低了面對等離子體材料的傳熱效率，這對它抵抗熱沖擊是不利的
技術(shù)實現(xiàn)思路
`本專利技術(shù)的目的是提供利用柱狀晶來抑制鎢基面對等離子體材料起泡的方法。這種方法不僅可以有效避免氫、氦及其同位素等在鎢基材料表層下面的聚集，大大降低其表面的起泡現(xiàn)象，還能保持良好的傳熱效率。為了解決上述問題，本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是在鎢基面對等離子體材料的表面采用柱狀晶組織。這種組織的特征是鎢金屬材料中的大量晶粒是呈長條狀的晶粒，并且其長軸按照垂直于表面的擇優(yōu)取向分布。柱狀晶的短軸尺寸在0.1微米至8微米的范圍，長軸與短軸的比值(即長徑比)應(yīng)大于5，并且該比值越大越有利于提高材料的抗起泡作用。本專利技術(shù)的原理在于:在所采用的垂直于材料表面的柱狀晶組織結(jié)構(gòu)中，自然存在著許多垂直于表面的晶界。等離子體輻照過程中進入金屬的氫、氦會通過橫向擴散進入這些晶界，再利用這些晶界作為短路擴散通道返回到等離子體中，避免了氫、氦在材料表層下的積累，從而抑制了起泡問題。同時，采用柱狀晶方法不同于利用多孔鎢材料抑制起泡的方法，不存在減少傳熱截面的情況，并且由于材料中存在的晶界幾乎都是垂直于表面的，而平行于表面的晶界很少，也就減少了熱量從表面向體內(nèi)傳導過程中的散射，因此采用柱狀晶組織還有利于熱傳導，不會降低材料抵御熱沖擊的能力。雖然柱狀晶鎢材料已經(jīng)可以利用多種常規(guī)制備方法得到，但一直很少被應(yīng)用，這是由于柱狀晶通常的力學性能較差的緣故。而由于面對等離子體材料在服役過程中最重要的是耐等離子體輻照能力，其力學性能反倒不是重點考慮的因素，因此可以充分利用柱狀晶的特殊組織結(jié)構(gòu)特點來抑制面對等離子體材料的起泡現(xiàn)象。然而，到目前為止，還沒人利用柱狀晶的這一結(jié)構(gòu)特點作為抑制鎢基面對等離子體材料起泡的方法。本專利技術(shù)的優(yōu)點在于:(I)柱狀晶結(jié)構(gòu)的長軸垂直于材料表面，這樣它的力學性能較差，主要表現(xiàn)在抗拉強度、抗疲勞性能方面，并且裂紋容易沿長軸晶界擴展。由于這些問題，所以柱狀晶鎢很少應(yīng)用，有時在高溫、耐磨零件方面有少量應(yīng)用。而在本專利技術(shù)中，利用柱狀晶鎢要解決的技術(shù)問題是面對等離子體材料抗輻照起泡現(xiàn)象，而對于它的力學性能要求并不高。這一點正是充分利用了柱狀晶垂直于表面排列的結(jié)構(gòu)，使得氫、氦可以沿著垂直于表面的晶界快速擴散，返回到等離子體中。因此，將柱狀晶鎢材料應(yīng)用于抗輻照起泡是一個新的應(yīng)用。(2)為了讓進入到鎢材料內(nèi)的氫、氦很容易橫向擴散至晶界處，柱狀晶的短軸尺寸應(yīng)該越小越好，最大不應(yīng)超過8微米。附圖說明圖1是本專利技術(shù)采用的柱狀晶組織結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。圖中:1.柱狀晶端面；2柱狀晶晶粒；3.晶界。具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本專利技術(shù)采用的柱狀晶組織結(jié)構(gòu)進一步說明。`鎢材料在氫、氦及其同位素等離子體長時間輻照后，在表層下面幾微米的深度形成氣泡，通常是從表面到5微米的深度內(nèi)。鎢材料表面之所以能夠起泡，就是由于氫、氦及其同位素可以在等離子體輻照過程下進入到材料的表層，從表層向下擴散，并隨著表層下氫、氦及其同位素的濃度升高，在2 3微米的擴散距離上逐漸積累形成氣體分子，繼而形成氣泡。針對這樣的問題，本專利技術(shù)提供一種鎢基面對等離子體材料抗起泡的柱狀晶組織結(jié)構(gòu)，所述的柱狀晶組織結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)中有多種常規(guī)方法都可以制備，以下用三個實施例來進一步介紹。實施例1:如圖1所示，這是鎢基面對等離子體材料的柱狀晶結(jié)構(gòu)的典型形式。最表面的部分是柱狀晶在材料表面的柱狀晶端面1，柱狀晶顆粒2以長軸垂直于表面的取向排列，柱狀晶顆粒2之間以晶界3為界面并緊密相連；實施例1采用常規(guī)的磁控濺射方法制備得到。磁控濺射方法制備的柱狀晶在尺度范圍上偏小一些，所述的柱狀晶的徑向尺寸在0.1微米至0.5微米的范圍。其長徑比的值比較大，在10到20的范圍。所述的磁控濺射具體工藝步驟為:選用金屬鎢作為靶原材料，濺射電源采用直流濺射電源，濺射氣體為氬氣，濺射氣壓為0.1Pa至5Pa，濺射功率200W至1000W，濺射時間30分鐘至3小時。實施例2:實施例2采用常規(guī)的化學氣相沉積方法制備得到。所述的柱狀晶的徑向尺寸在5微米至8微米的范圍，其長徑比的值比較小，在5到10的范圍。所述的化學氣相沉積的具體工藝步驟為:選用六氟化鎢作為原材料，另外工作氣體還有氫氣。采用熱分解的形式使六氟化鎢分解，產(chǎn)生鎢并沉積下來形成柱狀晶。化學氣相沉積參數(shù)采用金屬鎢的常規(guī)化學沉積工藝參數(shù)。實施例3:實施例3采用常規(guī)的熔鹽電化學沉積方法制備得到。所述的柱狀晶的徑向尺寸在I微米至3微米的范圍，其長徑比的值在7到10的范圍。所述的熔鹽電化學沉積的具體工藝步驟為:選用鎢酸鹽作為原材料，將鎢酸鹽熔融后加入電壓，使鎢在電極上沉積生長。沉積參數(shù)采用金屬鎢的常規(guī)熔鹽電化學沉積工藝參數(shù)即可。所述的鎢酸鹽可以采用鎢酸 鈉、鎢酸鋰等。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種利用柱狀晶抑制鎢基面對等離子體材料起泡的方法，其特征在于：所述的方法是在鎢基面對等離子體材料表面制備柱狀晶結(jié)構(gòu)組織。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種利用柱狀晶抑制鎢基面對等離子體材料起泡的方法，其特征在于:所述的方法是在鎢基面對等離子體材料表面制備柱狀晶結(jié)構(gòu)組織。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用柱狀晶抑制鎢基面對等離子體材料起泡的方法，其特征在于:所述的柱狀晶為呈長條狀的晶粒，并且其長軸按照垂直于表面的擇優(yōu)取向分布。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用柱狀晶抑制鎢基面對等離子...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：呂廣宏，程龍，張穎，王波，
申請(專利權(quán))人：北京航空航天大學，
類型：發(fā)明
國別省市：