本发明专利技术属于极端条件下使用的金属材料强韧化和金属材料表面改性技术领域，提供了一种提高面向等离子体材料钨表面抗氦离子辐照性能的方法。本申请以HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材作为源极，利用等离子表面合金化法在面向等离子体材料钨表面沉积制备多元难熔合金涂层，由于HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材中不同元素的溅射率不同，导致最终形成的多元难熔合金涂层中主要元素是由表及里呈逐渐降低的梯度分布，提高了多元难熔合金涂层涂层与钨的结合强度。同时，形成的以Hf、Nb、Ta、Ti和Zr为主元素的多元难熔合金涂层具有优异的抗氦离子辐照性能。能。能。
【技术实现步骤摘要】
一种提高面向等离子体材料钨表面抗氦离子辐照性能的方法
[0001]本专利技术涉及极端条件下使用的金属材料强韧化和金属材料表面改性
，尤其涉及一种提高面向等离子体材料钨表面抗氦离子辐照性能的方法。
技术介绍
[0002]核聚变反应产生的聚变能是获得世界公认的可以解决现有能源问题的一种重要潜在能源，采用强磁场约束高温等离子体的托卡马克(Tokamak)装置是一种最容易接近聚变条件且最有希望实现可控热核聚变反应的装置。但若要将这种装置推向工业化或商业化，还存在很多未解决的难题，其中关键之一就是面向等离子体材料(Plasma Facing Materials，PFMs)的选择。PFMs包括真空室内壁即第一壁和真空室底部的偏滤器，在核聚变堆运行过程中需承受稳态及瞬态高热负荷、大量高能等离子体冲刷、高能中子辐照等严酷苛刻工况，因此，PFMs需满足导热率高、熔点高、抗热冲击性能好、溅射率低等基本要求。钨由于具有高熔点、高密度、高热导率、高的抗粒子溅射能力以及低的氚滞留等特点被认为是未来核聚变装置用直接面向高能等离子体的第一候选材料，但若要将其应用于实际中还存在很多未解决的问题，如再结晶脆性、低温脆性、辐照脆化及硬化等。尤其是当作为PFMs应用于核聚变堆中时，钨将直接暴露在大量氢(氘、氚)、氦等高能粒子以及高能中子的辐照环境下，致使钨表面产生大量辐照损伤，影响核聚变堆的稳定运行。因此，提高金属钨的抗辐照性能就成为了其作为PFMs在核聚变堆中应用的关键。
[0003]公开号为CN111074199A的中国专利公开了一种钨合金表面高熵合金层的制备方法，利用双层辉光等离子冶金技术在钨基合金表面制备一层均匀、致密的W
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Ta
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V
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Cr高熵合金复合渗镀层。但是，该中国专利中并未对所得高熵合金复合渗镀层进行抗辐照性能测试方法、过程和结果进行清晰表述和列举，而仅通过结合力测试结果和对比无法直接推断W
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Ta
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V
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Cr高熵合金复合渗镀层具有优良的抗高温氧化性能和抗辐照性能。
技术实现思路
[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种提高面向等离子体材料钨表面抗氦离子辐照性能的方法，本专利技术提供的方法得到的多元难熔合金涂层使得钨的抗氦离子辐照性能大幅提高。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种提高面向等离子体材料钨表面抗氦离子辐照性能的方法，包括以下步骤：
[0007]对面向等离子体材料钨进行预处理，得到预处理钨；
[0008]将所述预处理钨和HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材分别进行等离子清洗，得到清洗钨和清洗靶材；
[0009]所述清洗靶材利用等离子表面合金化法沉积到所述清洗钨上，在所述面向等离子材料钨的表面形成多元难熔合金涂层，实现提高面向等离子体材料钨表面抗氦离子辐照性
能的目的；
[0010]所述HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材中Hf、Nb、Ta、Ti和Zr的摩尔比为1：1：1：1：1。
[0011]优选地，所述预处理包括依次进行除油、打磨和超声清洗；所述除油的试剂为含有金属清洗剂的水溶液；所述打磨为砂纸打磨，所述砂纸打磨的砂纸为碳化硅水砂纸；所述超声清洗的试剂包括乙醇。
[0012]优选地，所述等离子清洗的参数独立地包括：所述HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材的下方到所述预处理钨的表面的距离为15～18mm，工作气体为氩气，所述氩气的流量为25～40sccm，工作电压为35
±
2Pa，清洗时间为30～60min。
[0013]优选地，所述等离子清洗在等离子表面合金化装置中进行，所述预处理钨置于所述等离子表面合金化装置的样品台上，所述HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材通过夹具固定在所述等离子表面合金化装置中的源极悬挂架上。
[0014]优选地，所述等离子表面合金化法沉积的参数包括：所述清洗靶材的下方到所述清洗钨的表面的距离为15～18mm，工作气体为氩气，所述氩气的流量为25～40sccm，工作电压为35
±
2Pa，温度为850～950℃，所述清洗钨和清洗靶材之间的电压差为200～300V，保温时间为3～6h。
[0015]优选地，所述等离子表面合金化法沉积在等离子表面合金化装置中进行，所述清洗钨置于所述等离子表面合金化装置的样品台上，所述清洗靶材通过夹具固定在所述等离子表面合金化装置中的源极悬挂架上。
[0016]本专利技术提供了一种提高面向等离子体材料钨表面抗氦离子辐照性能的方法，包括以下步骤：对面向等离子体材料钨进行预处理，得到预处理钨；将所述预处理钨和HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材分别进行等离子清洗，得到清洗钨和清洗靶材；所述清洗靶材利用等离子表面合金化法沉积到所述清洗钨上，在所述面向等离子材料钨的表面形成多元难熔合金涂层，实现提高面向等离子体材料钨表面抗氦离子辐照性能的目的；所述HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材中Hf、Nb、Ta、Ti和Zr的摩尔比为1：1：1：1：1。本申请以HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材作为源极，利用等离子表面合金化法沉积来制备多元难熔合金涂层，由于HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材中元素的溅射率不同，导致最终形成的多元难熔合金涂层中的主要元素是由表及里呈逐渐降低的梯度分布，提高了多元难熔合金涂层涂层与钨的结合强度。同时，形成的以Hf、Nb、Ta、Ti和Zr为主元素的多元难熔合金涂层具有优异的抗氦离子辐照性能。
附图说明
[0017]图1为等离子表面合金化装置的结构示意图；
[0018]图2为实施例1～3所得试样和纯钨的X射线衍射图谱；
[0019]图3为实施例4～5所得试样和纯钨的X射线衍射图谱；
[0020]图4为实施例1～5所得试样的表面划痕形貌图；
[0021]图5为实施例1所得试样的表面形貌图；
[0022]图6为实施例2所得试样的表面形貌图；
[0023]图7为实施例3所得试样的表面形貌图；
[0024]图8为实施例4所得试样的表面形貌图；
[0025]图9为实施例5所得试样的表面形貌图；
[0026]图10为未处理的钨片的表面形貌图；
[0027]图11为未处理的钨片进行氦离子辐照后的表面形貌图；
[0028]图12为实施例1所得试样进行氦离子辐照后的表面形貌图；
[0029]图13为实施例2所得试样进行氦离子辐照后的表面形貌图；
[0030]图14为实施例3所得试样进行氦离子辐照后的表面形貌图；
[0031]图15为实施例4所得试样进行氦离子辐照后的表面形貌图；
[0032]图16为实施例5所得试样进行氦离子辐照后的表面形貌图；
[0033]其中，1
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腔室，2
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钟罩，3
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靶材本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种提高面向等离子体材料钨表面抗氦离子辐照性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：对面向等离子体材料钨进行预处理，得到预处理钨；将所述预处理钨和HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材分别进行等离子清洗，得到清洗钨和清洗靶材；所述清洗靶材利用等离子表面合金化法沉积到所述清洗钨上，在所述面向等离子材料钨的表面形成多元难熔合金涂层，实现提高面向等离子体材料钨表面抗氦离子辐照性能的目的；所述HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材中Hf、Nb、Ta、Ti和Zr的摩尔比为1：1：1：1：1。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理包括依次进行除油、打磨和超声清洗；所述除油的试剂为含有金属清洗剂的水溶液；所述打磨为砂纸打磨，所述砂纸打磨的砂纸为碳化硅水砂纸；所述超声清洗的试剂包括乙醇。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离子清洗的参数独立地包括：所述HfNbTaTiZr多元难熔合金靶材的下方到所述预处理钨的表面的距离为15～18mm，工作气体为氩气，所述氩气的流量为25～40s...
【专利技术属性】
技术研发人员：林乃明，吴玉程，雷晨庆，闫江山，王振霞，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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