结构功能一体化面向等离子体层状钨基复合材料研究

Tungsten is one of the most promising plasma facing materials in fusion reactor, but it faces serious brittle cracking and deuterium, tritium retention problems. For solving these problems, we have developed a structure and function integration W/TiN/Ta lamellar composite material, aiming at achieving toughening and tritium permeation resistance simultaneously. I.e. compositing Ta laminate of high ductility which acting as toughening phase with W to possesses high strength and toughness, improving its thermal shock resistance, and realize tritium permeation resistance function in the matrix for the first time by depositing TiN coating on the surface of W or Ta in advance. Preliminary experiments of our team indicates that, this composite material possesses both toughening and tritium permeation resistance effects. So in this project, we will carry out an in-depth study on the mechanisms of toughening and tritium permeation resistance. Especially illuminating the toughening mechanism of “metal W (brittle)/TiN ceramic (thickness of nano-scale)/metal Ta (tough)” complex layered system, the damage (deformation, crack extension and crack) mechanisms under transient thermal shock, and the correlation of them; also we will explore the tritium permeation resistance mechanism and the superimposed effect of multilayer ceramic coating which embedded in the matrix. Providing new knowledge for the toughening theory of complex lamellar system, lamellar materials design of plasma facing materials, and tritium permeation resistance mechanism of ceramic coating which embedded in the matrix, and laying a foundation for exploring a new generation of plasma facing materials.

钨是聚变堆中最具前途的面向等离子体材料，但钨面临着严重的脆性开裂和氘氚滞留问题。针对这两个问题，本项目创新设计了结构功能一体化的层状W/TiN/Ta复合材料，拟同时实现增韧和阻氚功能。即以高塑形的Ta薄片作为增韧相，与层状W交替复合获得足够的强韧性，提高抗热冲击性能；并通过在W或Ta层表面预先沉积TiN涂层，首次在基体中实现阻氚功能。本课题组前期实验表明，该复合材料同时具备增韧和阻氘效果，因此，本项目拟深入开展该层状复合体系的增韧机制和阻氚机理研究。阐明“金属W（脆）/TiN陶瓷（纳米厚度）/金属Ta（韧）”复杂层状体系的增韧机制和瞬态热冲击下的损伤（变形、裂纹扩展、开裂）机制及两者之间的关联；探索内置于基体中的多层陶瓷涂层的阻氚机制及其叠加效应。为复杂层状体系的增韧理论、面向等离子体层状材料设计和内置于基体中的陶瓷涂层的阻氚机理提供新知识，同时为探索新一代面向等离子体材料奠定基础。

钨作为聚变堆候选面向等离子体材料，其脆性问题，包括本征脆性以及再结晶脆性，严重限制了钨的应用。本项目采用层状增韧的方法，用塑性的钽层增韧钨，并在钽层表面制备TiN涂层，利用多层体系，拟实现增韧阻氚一体化的目标，并对复合材料进行韧性，抗热冲击性能以及阻氘性能进行相应的表征。在对TiN的电化学阻氢性能测试方面，相比单层TiN涂层，多层TiN可有效降低电化学氢渗透的电流密度（双层比单层TiN低1-2个数量级）。Ta增韧层的加入同时提高了材料的强度和塑性，室温下W/W材料弯曲强度约为450MPa，完全脆性断裂，钽钨层厚比为1：1时，W/Ta层状复合材料的弯曲强度达到约620MPa，出现层状材料特有的“pop in”现象，应变约5.5%，相比W/W层状材料，韧性大幅度提高，而W/TiN/Ta复合材料，弯曲强度达到1200MPa，应变约4%，但存在W-TiN界面开裂倾向，主要原因是W-TiN界面为非共格结合，难以传递应力，而Ta-TiN界面为半共格界面。大气环境下的高温拉伸试验表明，W/Ta在400℃时具有最高的强度和塑性，分别为417MPa和37%，随后逐渐下降，W/TiN/Ta在200℃强度最高，为612MPa，600℃时塑性最高，为11.5%，它们的DBTT均在200-300℃。电子热冲击实验表明，W/W，W/Ta和W/TiN/Ta的开裂阈值（GW/m2）分别为0.28-0.30，0.25-0.30和0.20-0.25，在功率密度为0.30 GW/m2时，三种材料的裂纹深度分别为150um，30um和100um，表明Ta的存在明显阻碍了裂纹向材料内部扩展，TiN的加入降低了W/Ta的开裂阈值。充氘热脱附实验表明，充氘后W/TiN/Ta会出现严重的界面开裂，而脱附曲线峰位基本在300℃以下，比纯W要低，可能是Ta层或界面处出现较多氘滞留，引起界面应力从而导致开裂，开裂原因尚需进一步研究。氢氦离子辐照实验表明，辐照后W表面会出现绒毛的早期阶段产物，并且相同辐照条件下，W-Ta固溶区以及W-TiN-Ta界面附近区域损伤程度相比W表面都较轻。