[發明專利]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

在審

• 申請號: 202211085479.4
• 申請日: 2022-09-06
• 公開（公告）號: CN115679262A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 林乃明;吳玉程;雷晨慶;閆江山;王振霞
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C23C14/16
• 分類號: C23C14/16;C23C14/34;C22C30/00;C23C14/02;G21B1/13
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 申素霞

本發明屬于極端條件下使用的金屬材料強韌化和金屬材料表面改性技術領域，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合強度。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異的抗氦離子輻照性能。

技術領域

本發明涉及極端條件下使用的金屬材料強韌化和金屬材料表面改性技術領域，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。

背景技術

核聚變反應產生的聚變能是獲得世界公認的可以解決現有能源問題的一種重要潛在能源，采用強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現可控熱核聚變反應的裝置。但若要將這種裝置推向工業化或商業化，還存在很多未解決的難題，其中關鍵之一就是面向等離子體材料(Plasma FacingMaterials，PFMs)的選擇。PFMs包括真空室內壁即第一壁和真空室底部的偏濾器，在核聚變堆運行過程中需承受穩態及瞬態高熱負荷、大量高能等離子體沖刷、高能中子輻照等嚴酷苛刻工況，因此，PFMs需滿足導熱率高、熔點高、抗熱沖擊性能好、濺射率低等基本要求。鎢由于具有高熔點、高密度、高熱導率、高的抗粒子濺射能力以及低的氚滯留等特點被認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，但若要將其應用于實際中還存在很多未解決的問題，如再結晶脆性、低溫脆性、輻照脆化及硬化等。尤其是當作為PFMs應用于核聚變堆中時，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境下，致使鎢表面產生大量輻照損傷，影響核聚變堆的穩定運行。因此，提高金屬鎢的抗輻照性能就成為了其作為PFMs在核聚變堆中應用的關鍵。

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在鎢基合金表面制備一層均勻、致密的W-Ta-V-Cr高熵合金復合滲鍍層。但是，該中國專利中并未對所得高熵合金復合滲鍍層進行抗輻照性能測試方法、過程和結果進行清晰表述和列舉，而僅通過結合力測試結果和對比無法直接推斷W-Ta-V-Cr高熵合金復合滲鍍層具有優良的抗高溫氧化性能和抗輻照性能。

發明內容

有鑒于此，本發明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，本發明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。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明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行預處理，得到預處理鎢；

將所述預處理鎢和HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材分別進行等離子清洗，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，實現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。

優選地，所述預處理包括依次進行除油、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。

優選地，所述等離子清洗的參數獨立地包括：所述HfNbTaTiZr多元難熔合金靶材的下方到所述預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。