鎢在不同損傷程度氦離子輻照后的力學(xué)性能變化

陳婉琦，李馨楠,李愷倫，CHIU Yulung，劉 偉

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京100190；3.英國伯明翰大學(xué)材料與冶金學(xué)院，伯明翰 B15 2TT； 4.清華大學(xué)材料學(xué)院，北京 100084)

0 引 言

核聚變能因具有安全、清潔、高效和原料儲(chǔ)存豐富等優(yōu)點(diǎn)，而被認(rèn)為是最有可能同時(shí)解決能源和環(huán)境問題的一種能源[1]。目前，可控核聚變的最可能實(shí)現(xiàn)途徑是利用強(qiáng)磁場約束聚變等離子體的托卡馬克裝置。在托卡馬克裝置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，第一壁材料及偏濾器部件都受到高束流等離子體的輻照，其中包括氘-氚(D-T)聚變反應(yīng)生成的氦(He)離子[2]。鎢由于具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、低濺射率等優(yōu)點(diǎn)而被選為偏濾器部分面對(duì)等離子體材料[3]。氦離子輻照會(huì)造成鎢表面出現(xiàn)起泡、絨毛、孔洞和納米結(jié)構(gòu)等表面損傷[4]，嚴(yán)重影響鎢的服役性能，如熱傳導(dǎo)性能[5]、力學(xué)性能[6]等。其中，硬化和脆化是力學(xué)性能惡化的主要表現(xiàn)形式，表現(xiàn)為輻照后材料的硬度及屈服強(qiáng)度升高，韌性下降，造成材料的服役能力顯著下降，從而易發(fā)生脆性解理斷裂而失效。因此，研究輻照后鎢的力學(xué)性能變化及其損傷機(jī)理，對(duì)未來評(píng)價(jià)面對(duì)等離子體材料的服役能力和壽命預(yù)測具有十分重要的意義。

材料在受到輻照后其表面產(chǎn)生的損傷層深度范圍一般是有限的(在幾十納米至十幾微米)，導(dǎo)致無法采用傳統(tǒng)的方法對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測試。近年來，納米壓痕技術(shù)因具備可以在微納米尺度范圍測試材料力學(xué)性能的特點(diǎn)，而應(yīng)用于輻照后材料表面的力學(xué)性能測試。納米壓痕技術(shù)通過配備不同形狀和尺寸的壓頭以實(shí)現(xiàn)不同測試目的，其中：三棱錐壓頭在測試輻照后材料力學(xué)性能方面的應(yīng)用較廣泛，主要用于獲取輻照后材料的硬度和彈性模量；相較于尖銳的三棱錐形壓頭，球形壓頭在獲取壓痕彈性階段響應(yīng)方面更具有優(yōu)勢，可以獲取更豐富且可靠的力學(xué)響應(yīng)信息，如應(yīng)力-應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度等[7]，因此逐漸用于測試中子[8]及質(zhì)子[9]輻照后材料的力學(xué)性能變化。BUSHBY等[8]采用球形壓頭納米壓痕技術(shù)對(duì)中子輻照后的Fe-Cr合金進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)輻照后材料的屈服強(qiáng)度增大。WEAVER等[9]通過球形壓頭納米壓痕技術(shù)獲取了質(zhì)子輻照后的304不銹鋼的壓痕應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并將其與微觀單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)球形壓頭納米壓痕測得的壓痕屈服強(qiáng)度為單軸拉伸屈服強(qiáng)度的2.2～2.9倍。PATHAK等[10]采用不同尺寸球形壓頭測試氦離子輻照(單一劑量)前后鎢材料的力學(xué)響應(yīng)以探究壓痕的尺寸效應(yīng)。但是，目前鮮見有關(guān)不同氦輻照條件下鎢力學(xué)性能變化方面的相關(guān)研究報(bào)道。

作者通過氦離子多能量注入對(duì)鎢表面進(jìn)行輻照試驗(yàn)，研究不同輻照損傷程度下鎢的微觀形貌，并利用球形壓頭的納米壓痕技術(shù)對(duì)不同氦離子輻照損傷后鎢的力學(xué)性能進(jìn)行測試，探究力學(xué)性能發(fā)生的變化及原因。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

將軋制態(tài)純鎢在真空條件下進(jìn)行1 873 K×2 h再結(jié)晶處理，表面晶粒尺寸大約為50 μm。經(jīng)電解拋光后，采用離子注入機(jī)在室溫下對(duì)鎢進(jìn)行氦離子輻照試驗(yàn)，采用30，80，190 keV 3種離子能量進(jìn)行多峰注入，氦離子束流為2.04×10154.08×1016cm-2，分別獲得輻照損傷程度為0.2, 0.5，1.0 dpa的試樣。通過SRIM軟件[11]計(jì)算氦在鎢中的分布及輻照損傷程度隨注入深度的分布，選擇鎢原子位移能為90 eV，以輻照損傷程度為1.0 dpa的試樣為例，30，80，190 keV 3種離子能量分別選用1.02×1016，1.53×1016，4.08×1016cm-2束流時(shí)，在氦離子注入時(shí)各能量以及總能量下氦濃度分布及輻照損傷程度分布模擬結(jié)果如圖1所示，可見采用能量和束流相匹配的氦離子對(duì)鎢進(jìn)行輻照，可以獲得平臺(tái)型損傷層，且損傷層厚度約為550 nm。同樣地，通過控制離子能量和離子束流，可獲得輻照損傷程度為0.2，0.5 dpa的試樣，且損傷層厚度也均為550 nm。

圖1 模擬得到氦離子注入時(shí)各能量以及總體能量下氦濃度分布及輻照損傷程度隨深度的分布曲線(1.0 dpa輻照損傷試樣)Fig.1 Distribution curves of helium concentration (a) and radiation damage degree (b) vs depth at various energies and total energy duringhelium ion implantation by simulation (sample with radiation damage of 1.0 dpa)

采用JEOL JEM-2010型透射電鏡(TEM)在雙束條件下對(duì)不同輻照損傷試樣的微觀形貌進(jìn)行觀察。采用聚焦離子束技術(shù)和雙噴兩種方式制備透射電鏡試樣，聚焦離子束技術(shù)制樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以獲取材料在離子輻照損傷后的截面形貌。為了排除在聚焦離子束技術(shù)制備試樣過程中可能引入損傷缺陷的影響，將直徑3 mm的鎢圓片經(jīng)氦離子輻照后，通過雙噴技術(shù)制成厚度約為100 nm的透射電鏡試樣，對(duì)離子輻照損傷后的表面形貌進(jìn)行觀察。

采用G200型納米壓痕儀研究氦離子輻照后鎢的力學(xué)性能變化，分別選取半徑為1，5，10 μm的球形壓頭，在連續(xù)剛度模式下進(jìn)行試驗(yàn)，振幅和頻率分別設(shè)定為2 nm和45 Hz，試驗(yàn)溫度控制在(26±3) ℃，每個(gè)試樣至少測試20個(gè)壓痕點(diǎn)，相鄰兩點(diǎn)的間距為70 μm。基于Hertz模型對(duì)壓痕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體計(jì)算公式[12-13]：

(1)

式中：νs和Es分別為試樣的泊松比和彈性模量；νi和Ei分別為壓頭的泊松比和彈性模量；Eeff為壓頭的有效彈性模量。

假定壓頭半徑為R，當(dāng)載荷為P時(shí)，壓痕處的接觸半徑為a，則壓痕應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)趴啥x為

(5)

式中：hc為壓痕的接觸深度；h為壓痕的實(shí)際深度；β為壓頭的幾何常數(shù)，對(duì)于球形壓頭來說，β一般取0.75；S為剛度，其數(shù)值在連續(xù)剛度模式下為卸載曲線的斜率，即S=dP/dh。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌

由圖2可知，與未經(jīng)氦離子輻照的鎢(原始試樣)相比，經(jīng)氦離子輻照后鎢表面出現(xiàn)了明顯的輻照損傷層，且不同輻照損傷程度下鎢表面損傷層的厚度基本相同，為554～558 nm，該結(jié)果與SRIM計(jì)算模擬得到的損傷層厚度(約550 nm)基本一致，表明通過改變氦離子能量和束流，能夠在鎢表面形成厚度基本相同的輻照損傷層。

圖2 聚焦離子束技術(shù)制備原始試樣和不同程度輻照損傷試樣的截面TEM形貌Fig.2 Cross-section TEM morphology of original sample (a) and sample with different irradiation damage degree (b-d) prepared by focused ion beam technique

由圖3可知，輻照后的鎢中產(chǎn)生了大量位錯(cuò)環(huán)，且隨著輻照損傷程度的增加，位錯(cuò)環(huán)的密度明顯增加，說明鎢的表面損傷程度加劇。研究[14]表明，當(dāng)氦離子輻照時(shí)的能量高于鎢的離位閾值時(shí)，氦離子在注入鎢表面的過程中因碰撞會(huì)產(chǎn)生大量單空位和鎢間隙原子，并且會(huì)被捕獲后以He-V復(fù)合體的缺陷形式存在。研究[15]表明，空位型缺陷數(shù)量會(huì)隨著輻照劑量的增加而輕微增加。作者[16]也研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用慢正電子多普勒展寬技術(shù)獲得不同氦輻照劑量下的S參數(shù)和W參數(shù)隨正電子入射深度的變化時(shí)，與未輻照試樣相比，輻照后S參數(shù)明顯增大，W參數(shù)明顯減小，隨著輻照劑量的增加，S參數(shù)呈輕微增大趨勢，W參數(shù)呈輕微減小趨勢，說明空位型缺陷數(shù)量隨著輻照劑量的增加而輕微增加。可知，輻照損傷程度加劇引起了空位和鎢間隙原子增加，而增加的鎢間隙原子會(huì)形成位錯(cuò)環(huán)，因此隨著輻照損傷程度的增加，鎢中的位錯(cuò)環(huán)增加。

圖3 雙噴技術(shù)制備原始試樣和不同程度輻照損傷試樣的表面TEM形貌Fig.3 Surface TEM morphology of original sample (a-b) and sample with different irradiation damage degree (c-h)prepared by twin-jet technique: (a, c, e, g) bright field image and (b, d, f, h) dark field image

2.2 壓痕應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4中Eind和σy分別為壓痕彈性模量和屈服點(diǎn)處的壓痕應(yīng)力，即屈服強(qiáng)度，不同半徑壓頭測得試樣的屈服強(qiáng)度如表1所示。由圖4和表1可以看出：未輻照試樣出現(xiàn)了明顯的突跳現(xiàn)象(pop-in)，即壓痕應(yīng)力在最高點(diǎn)處突降，且突降后的壓痕應(yīng)力均低于輻照后試樣在同一壓痕應(yīng)變位置處的壓痕應(yīng)力；輻照后的試樣均未出現(xiàn)突跳現(xiàn)象。突跳現(xiàn)象通常在使用半徑較小的球形壓頭或是其他尖銳的壓頭測試時(shí)出現(xiàn)，表現(xiàn)為壓入初期的壓痕應(yīng)力持續(xù)升高，數(shù)量級(jí)甚至可能達(dá)到材料的理論剪切強(qiáng)度[16]；當(dāng)壓痕區(qū)體積很小，尤其是當(dāng)位錯(cuò)間距或位錯(cuò)尺寸小于壓痕區(qū)時(shí)，壓入過程中要開動(dòng)位錯(cuò)需要很高的應(yīng)力，從而表現(xiàn)為應(yīng)力急劇升高[7,16]；一旦位錯(cuò)開動(dòng)，則應(yīng)力迅速下降。研究[16]表明，在應(yīng)力上升階段的壓痕接觸半徑基本保持不變，當(dāng)應(yīng)力突降時(shí)，壓痕接觸半徑在短期內(nèi)迅速增大。試驗(yàn)材料為再結(jié)晶鎢，未經(jīng)輻照的鎢內(nèi)部幾乎無缺陷，因此壓痕應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)產(chǎn)生突跳現(xiàn)象；而輻照后的鎢壓痕應(yīng)力-應(yīng)變曲線均未出現(xiàn)突跳現(xiàn)象，這與微觀形貌觀察到的大量缺陷有關(guān)，說明輻照后鎢中產(chǎn)生的大量缺陷是引起力學(xué)性能發(fā)生變化的直接原因。隨著輻照損傷程度的增加，鎢的壓痕彈性模量基本保持不變。

圖4 不同半徑球形壓頭條件下原始試樣和不同程度輻照損傷試樣的壓痕應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Indentation stress-strain curves of original sample and sample with different irradiation damage degree under different radius spherical indenter

隨著輻照損傷程度的增加，鎢的屈服強(qiáng)度呈增大趨勢，該現(xiàn)象與輻照后產(chǎn)生的缺陷有直接關(guān)系。隨著輻照損傷程度的增加，鎢中產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)數(shù)量顯著增加，空位型缺陷數(shù)量輕微增加。在壓頭壓入過程中這些缺陷的存在會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)[17]，該硬化行為可采用ZINKLE等[18]提出的離散強(qiáng)化模型表示，即

(6)

式中：Δσ為屈服強(qiáng)度增量；M為泰勒因子(3.06)[18]；μ為剪切模量；b為柏氏矢量；α為強(qiáng)化因子，是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，根據(jù)Taylor位錯(cuò)模型可知其值約為1/3[19-21]，與缺陷類型、密度和尺寸有關(guān)，由于試驗(yàn)中觀察到的缺陷類型并未隨輻照損傷程度的增加而發(fā)生改變，因此不考慮缺陷類型的影響；N和d分別為缺陷的密度和平均尺寸。

由式(6)可知，鎢屈服強(qiáng)度的增大與氦離子注入后位錯(cuò)環(huán)及空位缺陷的增加呈正相關(guān)。當(dāng)球形壓頭半徑不同時(shí)，鎢的力學(xué)性能具有壓痕尺寸效應(yīng)，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：(1)壓頭半徑越小，未輻照鎢的壓痕應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)突跳現(xiàn)象時(shí)的壓痕應(yīng)力越大；(2)壓頭的半徑越小，鎢的屈服強(qiáng)度越高。該現(xiàn)象在文獻(xiàn)[22-28]中曾有報(bào)道，這種尺寸效應(yīng)主要是由于小體積范圍內(nèi)發(fā)生非均勻塑性變形產(chǎn)生的幾何必須位錯(cuò)導(dǎo)致的，并且已經(jīng)通過離散位錯(cuò)模型證明了該結(jié)論的準(zhǔn)確性。

表1 不同半徑球形壓頭測得原始試樣和不同程度輻照損傷試樣的屈服強(qiáng)度

3 結(jié) 論

(1) 不同輻照損傷程度下鎢表面損傷層的厚度基本相同，為554～558 nm；隨著輻照損傷程度的加劇，鎢中產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)密度明顯增加，這與輻照損傷程度加劇引起的鎢間隙原子增加有關(guān)。

(2) 輻照后的鎢壓痕應(yīng)力-應(yīng)變曲線均未出現(xiàn)突跳現(xiàn)象，且隨著輻照損傷程度的增加，屈服強(qiáng)度提高，壓痕彈性模量基本保持不變，輻照后產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)缺陷是引起鎢力學(xué)性能發(fā)生變化的直接原因。鎢的力學(xué)性能具有壓痕尺寸效應(yīng)，壓頭半徑越小，屈服強(qiáng)度越高，未輻照鎢的壓痕應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)突跳時(shí)的壓痕應(yīng)力越大。