W-5Ta合金的高温自离子损伤及热回复试验研究_易晓鸥.pdf

第 37 卷第 3 期China Tungsten IndustryVol.37,No.32022 年 6 月Jun.2022收稿日期：20220516资助项目：国家自然科学基金（51701014；12175013）作者简介：易晓鸥（1984），女，湖南湘乡人，副教授，博士，本刊中青年编委，主要从事金属材料及界面的辐照缺陷表征与损伤效应研究。DOI:10.3969/j.issn.1009-0622.2022.03.003W-5Ta 合金的高温自离子损伤及热回复试验研究易晓鸥，张高伟，韩文妥，刘平平，詹倩，万发荣（北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083）摘要：钨-钽（W-Ta）合金研究对聚变堆钨基材料的研发与服役可靠性评价具有重要意义。本研究围绕热锻W-5%Ta（质量分数）合金开展了高温自离子辐照损伤（2 MeV W+，800/1.2 dpa）及热回复试验（1 000/1 h）。采用透射电镜显微缺陷表征方法，证实了高温辐照态样品中出现了大量位错环，其中部分位错环的空间分布表现出“筏型组态”特征。经统计分析，在高温辐照态样品中位错环平均尺寸和数密度分别达到（7.11.8）nm 和（1.50.2）1022m3；而在辐照后退火态样品中，位错环平均尺寸增加至（10.46.5）nm，数密度下降至（1.10.1）1022m3，辐照孔洞开始出现。结合相关文献，依据辐照缺陷的尺寸、数密度指标讨论了金属 W 中辐照缺陷在第 IV、V 回复阶段下的演化机制以及 Ta 元素的作用。比较发现 Ta 的钉扎作用延缓了辐照位错环的尺寸粗化与数密度下降趋势，而 Ta 对辐照孔洞的演化影响甚小。关键词：聚变堆材料；W-5Ta 合金；自离子损伤；辐照缺陷；热回复中图分类号：TG146.4；TL62文献标识码：A0引言金属钨（W）是核聚变反应堆中面向等离子体部件的主要候选材料。其服役工况严苛，涉及高温（7731 723 K）、高热负荷（1020 MW/m2）、高剂量快中子（14.1 MeV）与氢氦离子的轰击，累积高浓度辐照缺陷和核嬗变产物1-2，造成热疲劳、表面刻蚀、氢同位素滞留、辐照硬化、脆化以及肿胀等问题3。Rieth 等4-5在欧洲聚变发展协议（European Fusion DevelopmentAgreement，EFDA）框架的支持下开展了早期聚变用 W-Ta 合金的研发。Ta 是金属 W 在聚变堆内服役时自然累积的嬗变产物之一。据中子学模拟预测，在聚变堆第一壁工况下服役 5 年时间，纯 W 制部件将转变为包括3%Re、1.4%Os 和 0.9%Ta（质量分数，下同）等在内的多组元合金6。一系列材料改性研究证实，金属W中添加1%5%Ta对提升材料的抗冲击韧性 和 韧 脆 转 变 温 度（Brittle-Ductile TransitionTemperature，DBTT）无显著效果7-8，但可抑制氢同位素滞留9-10，改善材料的抗热冲击性能和耐等离子体刻蚀能力11-12。从嬗变产物和材料改性角度分析可知，W-Ta 合金的辐照缺陷与辐照效应研究对聚变堆钨基材料的研发与服役可靠性评价具有重要意义。值得注意的是，高剂量快中子引入的损伤缺陷将进一步影响 W-Ta 合金上述改性效果和机制。目前文献报道的 W-Ta 合金辐照缺陷产生、损伤组织演化研究以离子辐照形式为主，旨在模拟聚变中子的损伤效应13-17。Yi 等14系统报道了 W-5%Ta 合金经 2 MeV W+离子辐照（300500/0.43.6 dpa）后的缺陷表征与统计结果，对应金属 W 的第 II、III回复阶段18-21，证实了损伤以间隙型辐照位错环为主，未见辐照孔洞的形成。本研究将2MeVW+离子辐照温度提高至第 IV 回复阶段（800）21，并通过辐照后退火试验进一步探索了该高温自离子损伤在 1 000/1 h 条件下的演化行为与机制。这些工作为揭示 W-Ta 合金中的辐照损伤致自间隙原子、空位及其团簇高温演化机制，构建 W-Ta 合金“微观损伤组织服役工况性能退化”规律提供了关键试验数据支持。第 2 期易晓鸥，等：W-5Ta 合金的高温自离子损伤及热回复试验研究251试验1.1试验材料试验材料采用由奥地利普兰西公司（PlanseeGruppe，Austria）提供的热锻 W-5%Ta（质量分数），主要杂质包括 C、O、Fe 和 Mo，杂质总量控制在30010-6以下。采用线切割制备3 mm0.1 mm 规格圆片，经金刚石研磨薄膜抛光（粒度 15 m9 m6 m3 m1 m）、1 400 真空退火 20 h 和电化学抛光（12.5%硫酸+1.5%氢氟酸+86%甲醇溶液，体积分数）处理，最后获得表面平整、光洁的待辐照试样，典型微观组织特征如图 1 所示。在未辐照的 W-5Ta 合金中，位错密度非常低，平均晶粒尺寸约 0.5 m（23）m。图 1热锻 W-5Ta 合金经 1 400/20 h 退火处理后的微观组织Fig.1Microstructureof forged W-5Ta alloy after vacuumannealing at 1 400 for 20 h1.2离子辐照与热回复试验本研究涉及的离子辐照在英国萨里大学国家离子束中心（National Ion Beam Centre，University ofSurrey，UK）完成。辐照试验利用静电加速器获得 2 MeV W+离子，辐照温度 800，控温精度20。辐照采用扫描模式，真空度105Pa，注量率 2.51014W+/m2s，注入剂量 11018W+/m2。图2（a）展示了用于高温自离子辐照的样品台，3 mm圆片试样置于纯 Mo 制作的夹具中，由 K 型热电偶实时监测辐照试验过程中的样品台温度。图 2（b）展示了由 SRIM-2013 软件预测的离子辐照损伤DPA（Displacements Per Atom）及深度分布规律。考虑到 W、Ta 相对原子质量接近，DPA 的预测以纯 W 替代 W-5Ta 合金，离位阈能取 90 eV22。2 MeVW+离子辐照损伤峰值在距表面 100 nm 左右深度，损伤程度达到 1.2 dpa。离子辐照结束后，取其中部分3 mm 圆片试样继续辐照后热回复试验，即：1 000 真空退火 1 h。(a)辐照样品实验台；(b)SRIM-2013 软件预测的辐照损伤DPA 随注入深度变化规律图 2热锻 W-5Ta 合金的 2 MeV W+离子辐照试验Fig.22MeVW+ion irradiation experiment of forged W-5Ta alloy1.3透射电镜制样与表征方法本研究采用 200 kV FEI G2 F20 透射电子显微电镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）对W-5Ta 合金辐照缺陷及损伤组织进行表征。由图2（b）可知，2 MeV W+离子在试样中的损伤峰值距表面100 nm 左右，与常规透射电镜所需的薄区厚度基本一致。因此，本研究选择了单侧电化学减薄方案，以获取包含损伤峰值区在内的透射电镜薄区样品。具体流程为：（1）用耐腐蚀清漆均匀涂覆3 mm 圆片试样的辐照面，晾干；（2）在 Struers TENUPOL-5双喷仪上进行电化学减薄，电解液配方与电化学抛光相同，温度25，电压 8 V；（3）依次用丙酮、乙醇清洗试样，移除清漆。待表征的 W-5Ta 合金试样包括辐照态（800/1.2dpa）及辐照后退火态（1000/1h）注入剂量(a)(b)26第 37 卷两种（本研究统一采用 Post-irradiation annealing 的缩写 PIA 表示辐照后退火态样品。热回复试验包括两种模式，第一种如本研究所采用，为离位模式（ex-situ），进行退火的样品仍属于块体，表面效应对损伤组织演化影响相对较小；第二种为原位模式（in-situ），进行退火的样品已包含有效的透射电镜薄区，适合原位观察热回复阶段中的缺陷演化，但表面效应影响较大），表征的对象为离子辐照引入的位错环和孔洞。本研究选取取向晶粒进行透射电镜表征，以便同文献中纯 W、W-5Ta合金辐照缺陷尺寸、密度数据展开一致对比。辐照位错环的表征主要采用双束运动学条件，以衍射衬度图像提取位错环平均尺寸、尺寸分布、数密度，并基于消衬条件判断其柏氏矢量 b23。本研究采用了单位体积内位错线总长度作为评价指标以定量描述辐照位错环向位错线转变的演化趋势。单位体积内位错线总长度，即：位错密度（m/m3），可直观展示在不同试验条件下损伤组织中辐照位错环和位错线对位错密度的占比贡献。辐照孔洞的表征主要采用欠焦成像，以相位衬度图像展示孔洞的尺寸、数密度特征。本研究选取的欠焦量为f=1 m。透射电镜薄区厚度由电子能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）测得。2结果与讨论2.1辐照位错环的演化图 3 展示了热锻 W-5Ta 合金经 2 MeV W+离子辐照（800/1.2 dpa）后的损伤组织。此条件下辐照引起的缺陷为位错环，在双束运动学明场条件下（g=200）多数呈现黑斑衬度特征，平均尺寸（7.11.8）nm，最大尺寸不超过12nm，数密度达到（1.50.2）1022m3。辐照位错环的空间分布不均匀，局部出现聚集形成了筏型组态（loop rafting）（用于描述位错环群体空间分布特征，特指位错环因弹性相互作用发生聚集的现象。对于柏氏矢量变体相同的可滑动辐照位错环，其聚集形态可呈现一维串状特征，如图 3（b）、图 4（b）所示）23。图4展示了热锻W-5Ta合金经上述辐照后离位模式退火（ex-situ PIA：1 000/1 h）所得微观组织。如图4（a）图4（d）所示，辐照位错环的平均尺寸在热回复试验中增加到（10.46.5）nm；最大尺寸超过70nm。位错环的数密度为（1.10.1）1022m3，较 辐照态 下降约 27%。基于衍射衬度分析可知，辐照后退火态样品内的位错环柏氏矢量为 b=，未发现 b=位错环。图4（a）图4（d）中的和标记展示了部分位错环实例，标记符号的实线和虚线边界分别代表非消衬（gb 0）和消衬（gb=0）两种情况。具体而言，标记代表b=111或111?的辐照位错环，在 g=1?10 条件下出现消衬；而标记代表 b=1?11或11?1的辐照位错环，在g=1?1?0 条件下出现消衬。辐照位错环的空间有序分布趋势显著增强。结合以上位错环柏氏矢量的分析结果，可进一步发现辐照后退火态 的 W-5Ta 合金微观组织中各个筏型组态内的位错环均具有相同的 b，呈现近似一维线性排列，局部甚至发生了反应融合，表现出手指(a)低倍明场像；(b)高倍双束运动学明场像，g=200图 3透射电镜表征热锻 W-5Ta 合金经 2 MeV W+离子辐照（800/1.2 dpa）后的损伤组织Fig.3TEM characterization of damage microstructure in 2 MeVW+ion irradiated forged W-5Ta alloy(a)(b)第 2 期易晓鸥，等：W-5Ta 合金的高温自离子损伤及热回复试验研究27(a)g=200；(b)g=1?10；(c)g=020；(d)g=1?1?0；(e)f=-1 m；(f)f=+1 m图 4热锻 W-5Ta 合金经 2 MeVW+离子辐照和辐照后退火处理的微观组织表征Fig.4Microstructurecharacterization of forged W-5Ta alloy,subject to 2 MeVW+ion irradiation and post-irradiation annealing状（finger loop）形貌特征13,23，如图 4（d）所示。辐照后退火态样品中几乎所有观察到的超大尺寸（30 nm）位错环都具有这种手指状形貌。此外，在 辐照后退火态 的 W-5Ta 合金样品中较 辐照态新增了数量可观的位错线。