美国橡树岭国家实验室胡逊祥研究员团队：氦离子辐照诱导钨表面结构演化新发现

材料人编辑小单 2年前 (2022-07-25) 2739浏览

导读

金属钨近表面的氦效应分析对于聚变反应堆面向等离子体材料（plasma-facing materials，PFMs）的设计和研发有重要的理论指导意义。过去几十年，以国际热核聚变实验反应堆（ITER）为代表的磁约束聚变装置取得了长足的进步。金属钨因其极高的熔点、较低的中子活化度、低溅射性、氢滞留低等特性，被视为未来聚变堆中最可能全面使用的面向等离子体材料。然而，研究发现低能量、高通量的聚变反应产物—氦会在钨表面诱发严重的辐照损伤现象，比如表面起泡（blister）、起丝（nanofiber）、剥落（flaking）等。这种表面结构损伤区别于一般的离子溅射损伤，与氦元素在钨近表面的扩散、聚集以及与缺陷的相互作用等相关。目前，关于金属钨在氦离子辐照环境下的表面结构演化现象，仍存在很多尚未解决的科学问题。

成果掠影

美国橡树岭国家实验室先进核材料组的范存才博士（现香港大学RGC博士后研究助理）和胡逊祥研究员（2021年全职回国，现任四川大学特聘研究员/海纳青年学者），通过常温下的氦离子（40 keV He⁺）注入，结合高温热脱附实验和微结构表征，针对单晶钨和多晶钨的表面氦效应展开了系统性的研究。结果发现，在W {100} 和 W {110} 单晶样品的氦离子注入区域中出现了新的取向为 <111> 的晶粒（见下文图1）。虽然这些新的 <111> 取向的晶粒形状不规则，大小在微米级别，厚度在离子辐照区域内（见下文图2），但是极图分析却表明它们和母体晶格之间存在确定的位相偏转关系（见下文图3）。相比之下，W {111} 样品在离子注入前后并未有任何取向变化。在随后的高温氦脱附实验中，三个样品的近表面区域全都形成了大量的氦泡（见下文图4）。但值得注意的是，只有在发生晶向偏转的 W {100} 和 W {110}单晶样品表面才会产生褶皱现象。显然，晶向偏转在材料近表面结构演化过程中扮演着十分重要的角色。偏转驱动力可能源自开口晶向（channeling direction）和闭口晶向（non-channeling direction）在离子注入时产生的能量差。在体心立方（BCC）晶体中，最大开口方向是密排方向 <111>，所以当离子沿此方向进入晶格时，与晶格粒子碰撞的概率最小，产生的缺陷密度最低，因此系统能量状态也最低。由此可以推断，相对闭口的 <100> 和 <110> 晶向会向 <111> 取向偏转。除此之外，研究还发现氦的存在可以显著抑制多晶钨在高温下的回复、再结晶和晶粒长大（见下文图5）。

具体研究成果可参考已发表论文：

(1) Cuncai Fan, Congyi Li, Chad M. Parish, Yutai Katoh, Xunxiang Hu. "Helium effects on the surface and subsurface evolutions in single-crystalline tungsten." Acta Materialia 203 (2021): 116420.

(2) Cuncai Fan, Yutai Katoh, Xunxiang Hu. "Impact of helium irradiation on the crystallographic orientation change in single-crystalline tungsten." Nuclear Fusion 61, no. 7 (2021): 076011.

(3) Cuncai Fan, Xunxiang Hu. "Recovery and recrystallization of warm-rolled tungsten during helium thermal desorption spectroscopy annealing." Journal of Nuclear Materials 569 (2022): 153914.

核心创新点

离子注入诱导表面晶向偏转（从开口晶向转为闭口晶向），对表面结构演化有重要影响。

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