輻照溫度對鎢材料表面微結構的影響

安泰巖 范紅玉 王 研 王 翔 李 月

（大連民族學院 物理與材料工程學院 大連 116600）

輻照溫度對鎢材料表面微結構的影響

安泰巖 范紅玉 王 研 王 翔 李 月

（大連民族學院 物理與材料工程學院 大連 116600）

本文采用100 eV的He+對鎢進行輻照實驗，考察了輻照溫度變化（室溫-800 °C）對鎢材料的表面損傷作用。分別采用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)、透射電鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)、導電原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy, CAFM)以及X射線衍射(X Ray Diffraction, XRD)技術對輻照后樣品的微觀形貌、內表面缺陷分布以及晶格結構進行了分析。結果表明，He+輻照后鎢樣品表面出現(xiàn)了納米絨毛結構層，這種結構層組織間的間距及覆蓋率都隨輻照溫度的增加而增加。納米結構層會造成樣品表面損傷，產生表面離域化，但不會引起鎢晶相的改變。通過無損傷的CAFM檢測技術證實了樣品表面絨毛結構層的形成與樣品內表面納米尺寸He泡的形成有關。

鎢，輻照損傷，氦泡

鎢材料具有高質量數、高熔點、高熱導率、低濺射率等優(yōu)點，被認為是最有前景的一種面向等離子體材料(Plasma Facing Materials, PFM)[1-2]。在國際熱核實驗反應堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)以后的堆型設計中，全W-PFMs概念已經成為共識。但是在聚變服役條件下，鎢材料要受到14 MeV中子輻照、高熱負荷、低能（幾十電子伏至幾千電子伏）、高通量（通量高達1022-1024m-2·s-1）氫氦等離子體輻照而發(fā)生損傷，導致鎢材料的力學和熱學性能下降，服役時間縮短，嚴重影響聚變裝置的安全性和可靠性。因此，研究在聚變輻照條件下，鎢材料的損傷過程具有重要的意義[3-7]。

本文研究了溫度對低能大流強He+輻照引起的鎢材料表面損傷作用，采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)、透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)、導電原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy, CAFM)以及X射線衍射(X Ray Diffraction, XRD)等復合技術分析了溫度對鎢材料表面形貌、輻照缺陷等形成過程的影響。本工作對于認識輻照缺陷的大小、分布等特征與鎢樣品微觀形貌組織間的關系，探討鎢材料的輻照損傷機制，推動聚變堆關鍵材料的發(fā)展上具有重要意義。

1 實驗方法

He+輻照實驗在實驗室自主設計和搭建的等離子體輻照實驗平臺上完成，其原理示意圖見圖1。

圖1 等離子體輻照實驗平臺原理圖Fig.1 Schematics of plasma irradiation experiment system.

該系統(tǒng)由離子源系統(tǒng)、離子引出系統(tǒng)、真空排氣和檢測系統(tǒng)、偏壓引出系統(tǒng)、激光加熱系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)等組成。與弧放電離子源輻照裝置相比，該設備采用高密度射頻(Radio Frequency, RF)離子源，可產生大流強(約1021ions·m-2·s-1)H+、He+離子流，性能穩(wěn)定（運行時間可達數十小時以上），可實現(xiàn)長時間大劑量輻照實驗。同時，該系統(tǒng)采用激光加熱技術，基底溫度可加熱至上千度；采用基底偏壓技術，可嚴格控制H+和He+離子能量，使之在5-1000 eV連續(xù)可調。通過改變放電功率、負偏壓以及激光器功率等方式對等離子體束的流強、能量、基底溫度等參數進行調控，開展等離子體輻照方面的研究工作。本實驗中的反應條件為：He+能量為100 eV，He+輻照劑量為1×1025ions·m-2，He+流強為6×1020m-2·s-1，調整激光器功率，使得基底溫度分別控制在室溫、400 °C、600 °C和800 °C。

采用SEM和TEM對不同輻照溫度下樣品的表面形貌進行了分析。采用CAFM對樣品的表面形貌和內部缺陷的漏電流分布進行了表征。采用XRD對鎢的晶格結構進行了初步分析。

2 結果與討論

2.1表面形貌分析

首先采用SEM對不同溫度輻照下樣品的表面形貌進行了分析。如圖2所示，鎢材料經低能大流強He+輻照后，表面形貌發(fā)生了明顯改變。在室溫輻照下，樣品表面出現(xiàn)了具有一定取向的絨毛狀組織。隨著輻照溫度的增加，絨毛組織間的間距逐漸增大，絨毛組織呈現(xiàn)增長的趨勢、絨毛區(qū)域的覆蓋率逐漸增加。

圖2 樣品在不同輻照溫度下的表面形貌圖Fig.2 Surface morphology of the samples irradiated at different temperatures.

通過樣品的透射電鏡照片也可以清晰地看到樣品表面的絨毛結構層。如圖3所示， 樣品表面的絨毛長度約為2 nm，且已與表面發(fā)生明顯的離域，破壞了樣品表面的晶體結構，后面的XRD數據也進一步驗證了這個結果。Baldwin等[8]采用25-60 eV He+輻照鎢樣品時也發(fā)現(xiàn)輻照后樣品表面存在納米結構的絨毛層，這種結構層的孔隙率達到90%。納米結構層的形成會改變鎢材料的一些物理化學特性，如絨毛結構層會加快材料表面的熱量傳遞，降低材料表面的熔點，負載較大熱負荷時更易熔化，改變材料的力學性能等，另外絨毛結構層的存在也會大大增加氘氚滯留量。而關于絨毛結構層形成的原因多歸結于樣品內部高壓He泡的形成。

圖3 He+輻照后鎢樣品的TEM照片(600 °C)Fig.3 TEM photo of the W sample after He+ irradiation (600 °C).

2.2導電性分析

為了驗證絨毛結構層的形成是否與樣品內表面He泡的分布相關，我們采用導電原子力顯微鏡對樣品表面形貌和輻照缺陷分布之間的關系進行了分析。CAFM是在AFM基礎上發(fā)展起來的一種用于研究材料局部電學缺陷的技術。CAFM與普通AFM最大的區(qū)別是所用的針尖為導電針尖。在樣品和針尖之間施加一恒定偏壓，可以獲得樣品內電子發(fā)射圖像，即樣品內局域缺陷的漏電流分布[9-11]。CAFM檢測可同時得到樣品的表面形貌圖和內部缺陷的漏電流分布圖。從表面形貌圖像中，可以直接比較材料表面的腫脹情況。鎢材料經過離子輻照后，會在晶格內部產生大量缺陷，缺陷處的電子發(fā)射密度會發(fā)生改變，因此通過電流分布圖像就可以得到樣品內部缺陷分布、大小及形態(tài)等特征。研究表明，CAFM技術可以有效地比較樣品表面微結構與內表面缺陷分布之間的關系，對于損傷層附近的缺陷及He泡檢測也比較敏感，且相對于其他傳統(tǒng)表征方法而言，該方法簡單、非破壞性[12-13]。

圖4為不同輻照溫度下鎢樣品的表面形貌（左）和缺陷的漏電流分布（右）圖像。從形貌圖中可以看出，隨著輻照溫度的增加，樣品表面形成有序性的絨毛狀結構，且絨毛組織覆蓋率增加，絨毛組織間的間距逐漸增大，這與掃描電鏡結果是一致的。從漏電流分布圖中可以看出，導電缺陷點的分布與絨毛結構組織的分布基本對應。導電缺陷點為圓形或者橢圓形，尺寸在10-50 nm之間，可歸屬為樣品內表面的He泡缺陷。而且隨著輻照溫度的增加，He泡的密度和尺寸都在逐漸增加。這主要是因為鎢材料在載能He+的轟擊下會產生空位、雜質、位錯等晶格缺陷。這些缺陷會成為捕獲He的不飽和陷阱，隨著He的不斷聚集和遷移，小的缺陷逐漸聚集形成納米尺寸的He泡缺陷，He泡缺陷的存在造成鎢材料表面電子發(fā)射發(fā)生改變，從而形成具有一定形狀和取向的電流分布圖像。Shin等[14]指出當樣品表面溫度增加時，這些內表面的高壓He泡會逐漸遷移至樣品表面，最后沖破表面，在表層形成粗糙的納米結構絨毛層。CAFM的實驗結果則直接給出了樣品表面絨毛組織結構與樣品內表面He泡缺陷分布相關的證據，進一步驗證了Shin的結論。

圖4 采用CAFM測得樣品在不同輻照溫度下的表面形貌（左）和漏電流分布（右）Fig.4 Conductive atomic force microscopy analysis of the surface morphology (left) and current (right) of the samples irradiated at different temperatures.

2.3晶體結構分析

為進一步說明He+輻照對鎢材料的損傷行為，采用XRD對樣品的晶體結構進行了分析，結果如圖5所示。在圖譜中出現(xiàn)了明顯的多晶α型W的(110)、(211)、(100)衍射峰，其中衍射主峰是W(110)衍射峰，沒有其他雜峰和β相W的出現(xiàn)。隨著輻照溫度增加，W(110)衍射峰逐漸減弱，衍射峰位置逐漸向大衍射角偏移，晶格常數增加。這可能是因為輻照溫度的增加更有利于He原子的聚集，導致鎢材料內部缺陷增加以及晶格的畸變，造成樣品表面結構有序度的降低，但是輻照并不會明顯改變W的晶型結構。

圖5 不同輻照溫度下鎢的XRD譜圖Fig.5 XRD spectra of the W samples irradiated at different temperatures.

3 結語

He+輻照鎢后會明顯改變鎢樣品的微觀形貌，從而降低了鎢材料的物理化學性能。本文采用SEM、TEM、XRD以及CAFM表征方法分析了He+輻照溫度對鎢材料的表面的損傷作用。結果發(fā)現(xiàn)，鎢材料經低能大流強He+輻照后，會在樣品表面形成納米絨毛結構層，這種結構層組織間的間距和覆蓋率隨著輻照溫度增加。XRD和TEM的結果表明，這種納米結構層的形成會造成樣品表面離域化，使得樣品結構的有序性降低，但不會明顯改變鎢材料的晶型結構。通過無損傷的CAFM檢測技術表明，樣品表面絨毛結構層的分布與樣品內表面He泡缺陷的分布具有一定的對應關系。這進一步證實了樣品表面絨毛結構層的形成與樣品內表面納米尺寸He泡的形成相關，這對于深入理解鎢材料微觀組織結構的形成過程具有重要意義。

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CLCTL62+7

Influence of irradiation temperature on the surface damage of tungsten

AN Taiyan FAN Hongyu WANG Yan WANG Xiang LI Yue
(School of Physics and Materials Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

Background:In fusion reactors, W suffers from the displacement damage caused by high energy neutrons, and surface damage, such as blistering, erosion, and sputtering caused by low-energy (tens of eV to several keV) and high-flux (1020-1024m-2·s-1) helium and hydrogen ions.Purpose:The understanding of the behavior of W materials in fusion environment is a major issue of the material-related stake of fusion reactors.Methods:W samples were irradiated with low-energy (100 eV) and high-flux (6×1020ions·m-2·s-1) He+at a sample temperature changing from room temperature to 800 °C to a fluence of 1×1025ions·m-2. Microscopic evolution of these samples was carried out using scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), conductive atomic force microscopy (CAFM) and X-ray diffraction (XRD).Results:Analysis indicates that the nanometer-sized fibre-form structure is formed in the surface of W. The spacing and the covering degree of the nanostructure increase with the irradiation temperature. Nanostructure layer may cause the damage of W surface, resulting in surface delocalized, but does not cause a change in the crystal phase of tungsten.Conclusion:Non-destructive conductive atomic force microscopy gives the direct evidence that the forming of the nanometer-sized fibre-form structure is related to the nano-sized He bubbles. This is important for understanding the microstructure formation process of tungsten material.

Tungsten, Irradiation damage, He bubble

TL62+7

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.090201

遼寧省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(No.201412026000028)和大連民族學院“太陽鳥”學生科研項目(No.tyn2014357)資助

安泰巖，男，1993年出生，2012年就讀于大連民族學院攻讀學士學位，研究領域為材料輻照損傷

范紅玉，E-mail: fanhy@dlnu.edu.cn

2014-05-30，

2014-07-07